Ок-Риджская национальная лаборатория: Исследования и разработки в Теннесси

Введение

Лаборатория в Теннесси, США

Национальная лаборатория Оук-Ридж (ORNL) — это федеральный научно-исследовательский центр, расположенный в Оук-Ридже, штат Теннесси, США. Основанная в 1943 году, лаборатория в настоящее время финансируется Министерством энергетики США и управляется компанией UT–Battelle, LLC. Являясь крупнейшей научной и энергетической национальной лабораторией в системе Министерства энергетики по площади и третьей по объему годового бюджета, ORNL была основана в 1943 году и находится в округе Роан, в районе Оук-Ридж. Научные программы лаборатории сосредоточены на материаловедении, ядерной науке, нейтронных исследованиях, энергетике, высокопроизводительных вычислениях, экологических науках, системной биологии и национальной безопасности, часто в сотрудничестве со штатом Теннесси, университетами и другими отраслями промышленности. ORNL располагает несколькими ведущими суперкомпьютерами мира, включая Frontier, признанный самым мощным в мире по версии рейтинга TOP500. Лаборатория является ведущим исследовательским центром в области нейтронных и ядерных технологий, включающим Источник нейтронов, полученных спалляцией, Реактор изотопов высокого потока и Центр науки о нанофазных материалах.

Обзор

Национальной лабораторией Оук-Ридж управляет UT–Battelle, партнерство с ограниченной ответственностью между Университетом Теннесси и Мемориальным институтом Battelle, образованное в 2000 году специально для этой цели. Годовой бюджет составляет 2,4 миллиарда долларов США. По состоянию на 2021 год в ORNL работает 5700 сотрудников, из которых около 2000 – ученые и инженеры, а также ежегодно привлекается дополнительно 3200 приглашенных исследователей. На территории заповедника Оук-Ридж Министерства энергетики расположены пять площадок: Национальная лаборатория, Комплекс национальной безопасности Y 12, Технологический парк Восточного Теннесси (ранее завод по газодиффузии в Оук-Ридж), Институт науки и образования Оук-Ридж и развивающийся Научно-технологический парк Оук-Ридж, однако четыре других объекта не связаны с деятельностью Национальной лаборатории. Общая площадь заповедника составляет 150 квадратных километров (58 квадратных миль), из которых 18 квадратных километров (7 квадратных миль) занимает лаборатория.

История

В 1934 году была раскопана археологическая стоянка и погребальный курган Фрильского холма, относящаяся к позднему лесоводческому периоду. В настоящее время эта территория затоплена озером Мелтон-Хилл. Город Оук-Ридж был основан Инженерным корпусом армии США в 1942 году в рамках Клинтонских инженерных работ на изолированной сельскохозяйственной земле как часть Манхэттенского проекта. Во время Второй мировой войны передовые исследования для правительства на этой площадке осуществляла Металлургическая лаборатория Чикагского университета. В 1943 году было завершено строительство Клинтонских лабораторий, которые впоследствии стали известны как Национальная лаборатория Оук-Ридж. Место было выбрано для графитового реактора X-10, использовавшегося для производства плутония из природного урана. Энрико Ферми и его коллеги разработали второй в мире самоподдерживающийся ядерный реактор после предыдущего эксперимента Ферми, Чикагской кучи-1. X-10 стал первым реактором, предназначенным для непрерывной работы. После окончания Второй мировой войны правительство США передало управление лабораторией компании Monsanto по контракту, однако она вышла из соглашения в 1947 году. Чикагский университет временно вновь взял на себя ответственность, и объект получил престижное обозначение "Национальная" лаборатория, пока в декабре 1947 года компания Union Carbide and Carbon Co., которая уже управляла двумя другими объектами в Оук-Ридже, не взяла под контроль лабораторию и не переименовала её в Национальную лабораторию Оук-Ридж (ORNL). После войны спрос на военную науку резко упал, и будущее лаборатории оставалось неопределенным. Реактор X-10 и 1000 сотрудников лаборатории больше не участвовали в разработке ядерного оружия. Реакторы были произведены American Locomotive Company и использовались в Гренландии, зоне Панамского канала и Антарктиде. После успешных экспериментов по термоядерному синтезу в 1973 году установка была расширена и переименована в ORMAK II; однако эксперименты в конечном итоге не привели к созданию термоядерных электростанций. В январе 2019 года ORNL объявила о значительном прорыве в автоматизации производства Pu-238, что позволило увеличить годовой объем производства с 50 граммов до 400 граммов, приблизившись к цели NASA в 1,5 килограмма в год к 2025 году для обеспечения своих программ исследования космоса.

In 1934 the Freel Farm Mound Site, an archaeological site and burial mound of the Late Woodland period was excavated. The site is currently inundated by Melton Hill Lake. The city of Oak Ridge was established by the Army Corps of Engineers as part of the Clinton Engineer Works in 1942 on isolated farm land as part of the Manhattan Project. During World War II, advanced research for the government was managed at the site by the University of Chicago's Metallurgical Laboratory. In 1943, construction of the Clinton Laboratories, what would later be known as the Oak Ridge National Laboratory, was completed. The site was chosen for the X 10 Graphite Reactor, used to produce plutonium from natural uranium. Enrico Fermi and his colleagues developed the world's second self sustaining nuclear reactor after Fermi's previous experiment, the Chicago Pile 1. The X 10 was the first reactor designed for continuous operation. After the end of World War II, management of the lab was contracted by the US government to Monsanto; however, they withdrew in 1947. The University of Chicago temporarily re assumed responsibility, with the site receiving the prestigious "National" laboratory designation, until in December 1947, when Union Carbide and Carbon Co., which already operated two other facilities at Oak Ridge, took control of the laboratory and renamed the site Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Post war, the demand for military science had fallen dramatically, and the future of the lab was uncertain. The X 10 reactor and the laboratory's 1,000 employees were no longer involved in nuclear weapons. The reactors were produced by the American Locomotive Company and used in Greenland, the Panama Canal Zone, and Antarctica. After the success of the fusion experiments, it was enlarged and renamed ORMAK II in 1973; however, the experiments ultimately failed to lead to fusion power plants. In January 2019 ORNL announced a major breakthrough in its capacity to automate Pu 238 production which helped push annual production from 50 grams to 400 grams, moving closer to NASA's goal of 1.5 kilograms per year by 2025 in order to sustain its space exploration programs.

Области исследований

ORNL проводит научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, охватывающие широкий спектр научных дисциплин. Многие области исследований тесно связаны между собой, и исследователи часто работают в двух или более из перечисленных областей. Основные направления исследований лаборатории кратко описаны ниже. Химические науки: ORNL проводит как фундаментальные, так и прикладные исследования в многочисленных областях, включая катализ, науку о поверхности и химию интерфейсов; молекулярные превращения и химию топлива; химию тяжелых элементов и характеристику радиоактивных материалов; химию водных растворов и геохимию; масс-спектрометрию и лазерную спектроскопию; химию разделения; химию материалов, включая синтез и характеристику полимеров и других мягких материалов; химические биологические науки; и нейтронную науку. Электронная микроскопия: программа исследует ключевые вопросы в области конденсированного состояния, материалов, химии и нанонауки. Ядерная медицина: исследования сосредоточены на разработке усовершенствованных методов производства и переработки на реакторах для получения медицинских радиоизотопов, разработке новых систем генерации радионуклидов, проектировании и оценке новых радиофармпрепаратов для применения в ядерной медицине и онкологии. Физика: исследования в основном сосредоточены на изучении фундаментальных свойств материи на атомном, ядерном и субядерном уровнях, а также на разработке экспериментальных устройств для поддержки этих исследований. Данные о населении: ORNL предоставляет федеральным, государственным и международным организациям сетчатую базу данных населения под названием Landscan для оценки численности населения на данной территории. LandScan представляет собой растровое изображение или сетку с данными о численности населения, предоставляющее оценки численности населения каждые 30 x 30 угловых секунд, что примерно соответствует оценкам численности населения для окон или ячеек сетки размером 1 квадратный километр на экваторе, при этом ширина ячейки уменьшается с увеличением широты. Несмотря на существование множества наборов данных о населении, LandScan является лучшим набором данных о пространственном распределении населения, который ежегодно обновляется. Данные Landscan доступны через ГИС-приложения и общедоступное приложение USAID под названием Population Explorer.

ORNL conducts research and development activities that span a wide range of scientific disciplines. Many research areas have a significant overlap with each other; researchers often work in two or more of the fields listed here. The laboratory's major research areas are described briefly below. Chemical sciences: ORNL conducts both fundamental and applied research in numerous areas, including catalysis, surface science and interfacial chemistry; molecular transformations and fuel chemistry; heavy element chemistry and radioactive materials characterization; aqueous solution chemistry and geochemistry; mass spectrometry and laser spectroscopy; separations chemistry; materials chemistry including synthesis and characterization of polymers and other soft materials; chemical biosciences; and neutron science. Electron microscopy: the program investigates key issues in condensed matter, materials, chemical and nanosciences. Nuclear medicine: research is focused on the development of improved reactor production and processing methods to provide medical radioisotopes, the development of new radionuclide generator systems, the design and evaluation of new radiopharmaceuticals for applications in nuclear medicine, and oncology. Physics: research is focused primarily on studies of the fundamental properties of matter at the atomic, nuclear, and subnuclear levels and the development of experimental devices in support of these studies. Population: ORNL provides federal, state and international organizations with a gridded population database, called Landscan, for estimating ambient population. LandScan is a raster image, or grid, of population counts, which provides human population estimates every 30 x 30 arc seconds, which translates roughly to population estimates for 1 kilometer square windows or grid cells at the Equator, with cell width decreasing at higher latitudes. Though many population datasets exist, LandScan is the best spatial population dataset, updated annually. Landscan data are accessible through GIS applications and a USAID public domain application called Population Explorer.

Энергия

Лаборатория имеет долгую историю исследований в области энергетики; эксперименты с ядерными реакторами проводятся с конца Второй мировой войны, начиная с 1945 года. Благодаря наличию реакторов и высокопроизводительных вычислительных ресурсов, особое внимание уделяется повышению эффективности ядерных реакторов. Программы направлены на разработку более эффективных материалов, более точное моделирование стареющих активных зон реакторов, датчиков и систем управления, а также процедур безопасности для регулирующих органов. Существуют три ключевых направления исследований: электроэнергетика, производство и транспорт. Подразделение электроэнергетики сосредоточено на снижении потребления электроэнергии и поиске альтернативных источников ее производства. Здания, на которые приходится 39% потребления электроэнергии в США по состоянию на 2012 год, являются ключевой областью исследований, поскольку программа ставит целью создание доступных домов с нулевым выбросом углерода. Также проводятся исследования по повышению эффективности солнечных панелей, геотермальной электроэнергии и отопления, снижению стоимости ветрогенераторов, а также оценке экономической и экологической целесообразности строительства потенциальных гидроэлектростанций. Подразделение энергетики термоядерного синтеза ставит краткосрочные цели по разработке компонентов, таких как высокотемпературные сверхпроводники, высокоскоростные инжекторы водородных гранул и подходящие материалы для будущих исследований в области термоядерного синтеза. Значительные исследования поведения и обслуживания плазмы проводятся в Подразделении энергетики термоядерного синтеза для углубления понимания физики плазмы – важнейшей области для разработки термоядерной электростанции. Вклад США в проект ITER составляет 9,1%, что, как ожидается, превысит 1,6 миллиарда долларов США в течение срока действия контракта. Исследователи ORNL участвовали в разработке подробного плана исследований для сотрудничества США в рамках проекта ITER, представленного в 2022 году.

Биология

Биологические исследования охватывают экологию, лесоводство, геномику, вычислительную биологию, структурную биологию и биоинформатику. Программа "Биоэнергия" направлена на повышение эффективности всех этапов производства биотоплива для укрепления энергетической безопасности Соединенных Штатов. Программа ставит целью генетическое улучшение потенциальной биомассы, разработку методов для нефтеперерабатывающих заводов, способных перерабатывать широкий спектр топлива, а также повышение эффективности доставки энергии как электростанциям, так и конечным потребителям. Центр молекулярной биофизики проводит исследования поведения биологических молекул в различных условиях. В центре реализуются проекты по изучению клеточных стенок для производства биотоплива, применению нейтронного рассеяния для анализа свертывания белков и моделированию влияния катализа в классическом и квантовом масштабах. На территории ORNL расположена полевая станция Национальной сети экологических обсерваторий (NEON) с расположенным поблизости полевым офисом. Департамент энергетики тесно сотрудничает с Агентством по охране дикой природы штата Теннесси, базирующимся в ORNL, для мониторинга лесной экологии в регионе Аппалачей и Камберлендского плато. HFIR достиг критического состояния в 1965 году и с тех пор используется для материаловедческих исследований и как основной источник медицинских радиоизотопов. По состоянию на 2013 год HFIR обеспечивает самый высокий в мире постоянный нейтронный поток благодаря проведенным модернизациям. Предполагается, что HFIR будет работать примерно до 2060 года, после чего корпус реактора под давлением будет признан небезопасным для дальнейшей эксплуатации. SNS генерирует нейтронные импульсы самой высокой интенсивности среди всех искусственных источников нейтронов. SNS был введен в эксплуатацию в 2006 году и впоследствии модернизирован до мощности 1 МВт, с планами дальнейшего увеличения до 3 МВт. Высокая мощность нейтронных импульсов обеспечивает более четкое изображение объектов исследования, позволяя анализировать меньшие образцы и получать точные результаты, используя меньшее количество импульсов.

Материалы

В период с 2002 по 2008 год ORNL сотрудничала с компанией Caterpillar Inc. для разработки нового материала для их дизельных двигателей, способного выдерживать значительные колебания температуры. Новая сталь, получившая название CF8C Plus, создана на основе традиционной нержавеющей стали CF8C с добавлением марганца и азота, что обеспечивает улучшенные высокотемпературные свойства и облегчает литье при сопоставимой стоимости. Центр нанофазных материалов (CNMS) изучает поведение и создание наноматериалов. Центр уделяет особое внимание открытию новых материалов и пониманию фундаментальных физических и химических взаимодействий, лежащих в основе создания наноматериалов. В 2012 году CNMS разработала литий-серный аккумулятор с теоретической плотностью энергии, в три-пять раз превышающей плотность существующих литий-ионных аккумуляторов.

Безопасность

ORNL предоставляет ресурсы Министерству внутренней безопасности США и другим программам в области обороны. Программа глобальной безопасности и нераспространения (GS&N) разрабатывает и внедряет политику как внутри США, так и на международном уровне, для предотвращения распространения ядерных материалов. В рамках этой программы были разработаны системы защиты ядерных арсеналов, руководства по их демонтажу, планы действий на случай попадания ядерных материалов в неавторизованные руки, методы обнаружения украденных или пропавших ядерных материалов, а также регулирование торговли ядерными материалами между США и Россией.

Высокопроизводительные вычисления

ORNL был площадкой для различных суперкомпьютеров, неоднократно являясь самым быстрым из них. В 1953 году ORNL сотрудничал с Аргоннской национальной лабораторией для создания ORACLE (Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine) – компьютера для исследований в области ядерной физики, химии, биологии и инженерии. ORACLE имел 2048 слов (80 килобит) памяти и выполнял сложение или умножение целых чисел примерно за 590 микросекунд. В 1995 году ORNL приобрел компьютер Intel Paragon XP/S 150, производительностью 154 гигафлопс, занявший третье место в списке TOP500 суперкомпьютеров. В 2005 году был создан Jaguar – система на базе Cray XT3, производительностью 25 терафлопс, которая впоследствии была модернизирована до платформы XT5, достигшей производительности 2,3 петафлопса в 2009 году. С ноября 2009 года по ноябрь 2010 года он признавался самым быстрым в мире. Summit был создан для Национальной лаборатории Оук-Ридж в 2018 году и продемонстрировал производительность 122,3 петафлопс. По состоянию на июнь 2020 года Summit был вторым по скорости суперкомпьютером в мире, оснащенным 202 752 процессорными ядрами, 27 648 графическими процессорами Nvidia Tesla и 250 петабайтами памяти, уступив лидерство японскому суперкомпьютеру Fugaku. В мае 2022 года система ORNL Frontier преодолела экзамасштабный порог, достигнув скорости 1,102 экзафлопс/с, используя 8 730 112 ядер. С 1992 года Центр вычислительных наук осуществляет надзор за высокопроизводительными вычислениями в ORNL. Он управляет Компьютерным центром лидерства Оук-Ридж, в котором размещены эти машины. В 2012 году Jaguar был модернизирован до платформы XK7, что стало фундаментальным изменением, поскольку графические процессоры стали использоваться для большей части обработки, и был переименован в Titan. Titan достиг производительности 17,59 петафлопс и занял первое место в списке TOP500 в ноябре 2012 года. Другие компьютеры включают в себя 77-узловой кластер для визуализации данных, генерируемых более крупными машинами, в Исследовательской среде визуализации для науки и технологий (EVEREST) – комнате визуализации со стеной размером 10 на 3 метра (30 на 10 футов), отображающей проекции в 35 мегапикселей. Smoky – это 80-узловой Linux-кластер, используемый для разработки приложений. Исследовательские проекты дорабатываются и тестируются на Smoky перед запуском на более крупных машинах, таких как Titan. В 1989 году программисты из Национальной лаборатории Оук-Ридж написали первую версию Parallel Virtual Machine (PVM) – программного обеспечения, обеспечивающего распределенные вычисления на машинах с различными характеристиками. PVM является бесплатным программным обеспечением и стал де-факто стандартом для распределенных вычислений. Джек Донгарра из ORNL и Университета Теннесси разработал программную библиотеку LINPACK и эталонные тесты LINPACK, используемые для вычислений в линейной алгебре и стандартный метод измерения производительности суперкомпьютеров с плавающей запятой, применяемый организацией TOP500.

ORNL has been the site of various supercomputers, home to the fastest on several occasions. In 1953, ORNL partnered with the Argonne National Laboratory to build ORACLE (Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine), a computer to research nuclear physics, chemistry, biology, and engineering. ORACLE had 2048 words (80 Kibit) of memory and took approximately 590 microseconds to perform addition or multiplication of integers. In 1995 ORNL bought an Intel Paragon based computer called the Intel Paragon XP/S 150 that performed at 154 gigaFLOPS and ranked third on the TOP500 list of supercomputers. In 2005 Jaguar was built, a Cray XT3 based system that performed at 25 teraFLOPS and received incremental upgrades up to the XT5 platform that performed at 2.3 petaFLOPS in 2009. It was recognised as the world's fastest from November 2009 until November 2010. Summit was built for Oak Ridge National Laboratory during 2018, which benchmarked at 122.3 petaFLOPS. As of June 2020, Summit was the world's second fastest [clocked] supercomputer with 202,752 CPU cores, 27,648 Nvidia Tesla GPUs, and 250 Petabytes of storage, having lost the top position to the Japanese Fugaku supercomputer. In May 2022, the ORNL Frontier system broke the exascale barrier, achieving 1.102 exaflop/s using 8,730,112 cores. Since 1992 the Center for Computational Sciences has overseen high performance computing at ORNL. It manages the Oak Ridge Leadership Computing Facility that contains the machines. In 2012, Jaguar was upgraded to the XK7 platform, a fundamental change as GPUs are used for the majority of processing, and renamed Titan. Titan performed at 17.59 petaFLOPS and held the number 1 spot on the TOP500 list for November 2012. Other computers include a 77 node cluster to visualise data that the larger machines output in the Exploratory Visualization Environment for Research in Science and Technology (EVEREST), a visualisation room with a 10 by 3 metre (30 by 10 ft) wall that displays 35 megapixel projections. Smoky is an 80 node linux cluster used for application development. Research projects are refined and tested on Smoky before running on larger machines such as Titan. In 1989 programmers at the Oak Ridge National Lab wrote the first version of Parallel Virtual Machine (PVM), software that enables distributed computing on machines of differing specifications. PVM is free software and has become the de facto standard for distributed computing. Jack Dongarra of ORNL and the University of Tennessee wrote the LINPACK software library and LINPACK benchmarks, used to calculate linear algebra and the standard method of measuring floating point performance of a supercomputer as used by the TOP500 organisation.