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美国橡树岭国家实验室(ORNL)
时间 : 2011-05-20     

美国橡树岭国家实验室(ORNL)


 概述 / 研究领域 / 大型实验设施 / 60年的成就 / 大事记


一、概述

橡树岭国家实验室ORNL(Oak Ridge National Laboratory)是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室。

第二次世界大战期间,为了赶在德国之前造出原子弹,美国启动了“曼哈顿工程”。作为曼哈顿工程的一部分,1943年2月,在田纳西州诺克斯维尔以西30公里处的克林顿小镇,从事核武试验研究的克林顿实验室破土动工(后改称为橡树岭国家实验室ORNL)。2000年4月以后,ORNL由田纳西大学和Battelle纪念研究所合伙管理。 

 

 

ORNL位置示意图(图片来自Google)

ORNL鸟瞰

ORNL入口标志

 

20世纪50、60年代,ORNL是从事核能和物理及生命科学相关研究的国际中心。70年代成立美国能源部后,ORNL的研究计划扩展到能源产生、传输和保存领域。到21世纪初,该实验室用和平时期同样重要但与曼哈顿计划时期不同的任务支持着美国。

ORNL的任务是开展基础和应用的研究与开发,提供科学知识和技术上解决复杂问题的创新方法,增强美国在主要科学领域里的领先地位;提高洁净能源的利用率;恢复和保护环境以及为国家安全作贡献。

随着现代设施的建设使前沿研究成为可能,ORNL正在对未来的大科学任务进行重新定位,涉及先进的计算、先进材料、生物系统、能源科学、纳米技术、国家安全、中子科学、研究设施和其他有关的研究领域。

ORNL拥有众多的重要科学研究设施,近年来向更高层次发展,建设了新的纳米材料科学中心、基因科学中心、每秒进行40*1012次计算的世界上最大的超级计算机中心等,负责由6个美国实验室共同合作建设的美国最大的民用科学研究项目——价值14亿美元的散裂中子源,设有多个核科学实验室如高通量同位素反应推等,逐渐发展成为大型综合性研究基地,对美国的发展做出了巨大贡献。

ORNL现有雇员4600人,包括科学家和工程师3000人。ORNL每年接待客座研究人员3000名,为期2周或更长的时间,其中约有25%的客座人员来自工业部门。每年接待参观者30000人,另外加上进大学前的10000名学生。

ORNL每年的经费超过16.5亿美元,其中80%来自能源部,20%来自联邦政府和私营部门的客户。其2003财政年度的经费首次超过10亿美元。田纳西大学 - Battelle纪念研究所已经提供数百万美元,用于支持大橡树岭地区的数学和科学教育、经济发展和其他项目。

ORNL正计划投资3亿美元,为下一代大科学研究提供现代化的场所。经费由联邦政府、州政府和私营部门提供,用于建造11个新的装置,包括功能性基因组中心、纳米材料科学、先进材料表征实验室和计算科学联合研究所。

投资16亿美元的散裂中子源SNS是世界上最大的民用科学项目,ORNL从而成为世界上首屈一指的中子科学研究中心。

 

二、研究领域

ORNL从事跨越广泛领域科学学科的研发活动,ORNL在许多科学领域处于国际领先地位。它主要从事以下科学领域的研究,包括中子科学、复杂生物系统、能源、先进材料、国家安全和高性能计算等。

1、中子科学

ORNL有世界上两个最先进的中子散射研究装置,即散裂中子源SNS(Spallation Neutron Source)和高通量同位素反应堆HFIR(High Flux Isotope Reactor)。

散裂中子源SNS

 

SNS是以加速器为基础的中子源,提供世界上最强的脉冲中子束流用于科学和工业的研发。凭借一套高达25台最好的一流仪器,SNS给研究人员提供比以前可能详细的更小的物理和生物材料样品图像。中子散射研究的不同应用,几乎为在每一个科学和技术领域工作的专家提供机会。

高通量同位素反应堆HFIR

 

85兆瓦的HFIR是世界上为研究提供中子最高稳态通量的反应堆之一。HFIR履行四项任务:同位素生产、材料辐照、中子活化和中子散射。HFIR的中子散射仪能够对材料的分子和磁结构及特性进行基础研究和应用研究。HFIR已计划或运行15台仪器。2006-2007年HFIR改造中安装一个新的冷中子源,大大提高了反应堆的研究能力,特别是在生物科学领域。

2、生物系统

ORNL在复杂生物系统的计划是,在实验室从事组织和开展各个学科的研究。特别是,它鼓励在​​比较和功能基因组学、结构生物学、生物信息学、计算生物学和分析复杂生物资料学科方面的项目。该计划侧重ORNL在有关观察和了解复杂生物系统的运作的挑战方面广泛生物领域里的独特专长和设施。

ORNL下设能源和环境科学理事会负责生物系统发方面的研究。它把科学家和工程师们组织到一起,解决现代社会和经济最基本的需要之一,即能源。该理事会开展直接有助于增加和使能源生产多样化,提高能源传输和降低能耗的国家目标的应用研究和发展计划。这些目标构成安全的能源和环境未来的基础。它涉及以下的科技领域:电子学和电动机械、能效工程、能源供应和分配系统、核科学和技术、等离子体物理和系统、传感器和信号处理。

能源和环境科学理事会由以下几个部组成:生物科学部、能源和运输科学部、环境科学部、测量科学和系统工程部。如按项目划分,该理事会由以下项目组成:能源效益和电力技术、运输研究项目和国家运输研究中心用户设施。各部系将重点放在某个学科的组织,提供为完成研发所需要的资源,如人员、设备和配套管理。项目以客户为中心的组织协调多学科工程,从ORNL的各部得到资源。

3、能源

ORNL是对能源生产、分配、使用和能源技术和决定对社会影响进行研究和发展的世界上最重要的中心之一。清洁、高效、安全生产和使用能源一直是其研究和发展的目标。在ORNL,与能源相关的研发独特设施被用于基础能源科学方面的技术开发和基础研究。它的研究项目如下:

·生物能项目

美国能源部能源效率和可再生能源生物质项目处的工程与工业界、学术界和国家实验室在生物原料和转化技术方面进行平衡的投资组合研究。在ORNL,生物能源研究解决生物能源供应链的各个组成部分,以及生物能源可持续发展跨部门的主题。ORNL也向公众传播生物能源的信息,并给决策者提供更好地了解复杂生物能源系统以及它们的潜力和当前影响的工具。

·电力传输技术技术

ORNL与美国工业界和大学结成伙伴关系,进行技术的研发和展示,支持能源部电力输运和能源可靠性处。该项目的目标是帮助确保电网安全可靠,充分整合中央发电和分布式资源,管理电力流量,和满足美国对日益增长的电力需求。

·能源效益和电力技术

能源效益及电力技术项目开发可持续能源技术,以创造一个清洁的环境、一个更强大的经济和美国更安全的未来。该计划致力于拓宽能源资源选项,改善能源生产和使用的每一个元素效率。本研究主要针对在交通运输、工业技术、建筑、房屋耐候改造中应用的过程、系统和材料,以及联邦能源管理可再生能源:氢能、生物质能、水力发电和太阳能。

·能源效率和可再生能源(EERE)

ORNL通过三个广泛的研究和发展领域为美国能源部能源效率和可再生能源(EERE)局提供关键支持。

 

根据能源效率和电力技术项目瞄准可持续发展电力。ORNL的可持续电力项目开发技术,创造一个清洁的环境。该项目解决可再生能源发电、电力分配和建筑物中最终使用中的挑战,通过成本效益的解决方案,同时减轻和减少对环境的影响,确保美国的能源安全。

根据负责管理EERE工业技术项目的ORNL能源材料处瞄准可持续制造。可持续制造借鉴实验室在材料科学研究与发展方面世界领先地位制定和实施提高工业能源效率所需要的材料、加工、设备和执行战略。该项研究与业界合作,将科学发现转化为现实世界的能源解决方案。项目的研发投资组合包括先进能源材料、节能高效的流程、纳米加工和热电联产(CHP)。

可持续交通的研究和开发,有利于基础科学与技术的成熟和应用连接起来。努力解决有关车辆和燃料,乘客和货物的流动性,以及该国的交通基础设施问题。

ORNL可持续发展园区计划是ORNL范围的项目。它的目标是将能源和资源效率、尖端技术、运作和业务流程以及行为整合在一起,实现可持续性。

·工业技术项目

美国制造业消耗全国32%的能源,全世界的工业代表通过提高能源效率减少二氧化碳占全球38%的机会。工业技术项目的任务是通过改变美国产业使用能源的方式提高国家的能源安全、气候、环境和经济竞争力。

ORNL是牵头工业技术项目的美国能源部实验室。它与业界合作,开发和执行真正的世界能源解决方案。ORNL是材料科学与技术,反应与分离,控制和传感器,工业能源效率的最佳做法的全球领导者。工业技术项目积极与行业一起减少工业能源利用和提高产业竞争力。目前,ORNL与工业合作伙伴合作开展先进材料、分离技术、纳米制造、替代燃料和原料、无线传感器的研究和工业能源的评估​​。

·美国参与国际热核聚变实验堆项目

参与国际热核实验堆(ITER)合作项目的美国组吸引美国的工业、实验室和教育机构参与该项目的合作。37个州和哥伦比亚特区超过300家公司和大学已直接参与了该项目。

ITER示意图

 

迄今为止,美国的ITER合作组已给美国工业和大学带来超过1亿美元的资金,使美国的工业部门、实验室和教育机构从事研发、工程、供应与服务、制造与加工等领域参与ITER的工作。

4、先进材料

ORNL的科学家们参与实际上所有类型材料从基础研究到最新的应用的研究。在材料合成、加工和表征上,ORNL的独特优势被应用到所有的重点领域。每年,成千上万的客座科学家前来ORNL利用其世界一流的设施。该实验室建有以下中心:

·催化作用基础和应用研究中心

该中心有各种各样世界水平的研究人员和最先进的科学设施和仪器,应对从基础到应用各方面的催化作用研究,重点放在多种多样的催化作用上,包括设计和合成新的催化剂、基础表面科学、自动排放催化剂、理论建模和表征。现在,正在开发能够监视工作状态下的催化剂新技术。

·结构材料缺陷物理中心

该中心即能源前沿研究中心,致力于提供基础知识,以对缺陷、缺陷相互作用和缺陷动力学进行原子控制。正是这些缺陷的特性限制材料的性能和寿命。该中心主要集中在三个相互关联的领域:辐照中的缺陷形成和发展的基础物理;变形中缺陷相互作用的基础物理;以及缺陷和相互作用的量子物理。

·纳米材料科学中心

它是能源部科学局的纳米尺度科学研究中心,系构成联成一体的国家用户网路的能源部5个中的一个纳米尺度科学研究中心。该类中心的宗旨是,通过建立一套科学的协和作用,提供了解纳米尺度材料、组装和现象的独特机会,加快发现的过程。研究侧重于了解、设计和控制构成纳米尺度材料,系统和结构的功能和特性的动力学、空间化学和热力学。其研究能力为:大分子纳米材料、多尺度功能性(催化作用、光学-纳米结构相互作用、以及电子显微术,中子和X射线散射)、扫描探针、纳米材料理论研究所和纳米加工研究所(仿生纳米材料)。

·高温材料实验室

它是美国能源部的一个用户设施,致力于解决限制发电和能量转换,分配和使用的系统的效率和可靠性材料问题。该高温实验室包括可供产业、大学和联邦实验室研究人员开展研究的六个用户中心。该实验室有两个主要的目的:一是为来自美国工业界、大学和联邦实验室的研究人员提供技术熟练的员工和独一无二的材料表征仪器;二是协助教育和培训材料研究人员。该实验室六个用户中心所拥有的仪器具有表征材料的微观结构、微量化学、物理和机械性能的能力。

·工业技术项目

该项目旨在开发新型材料、新型材料加工能力、新连接技术和新能源效益的产品。目前研发领域包括高温处理、工业反应和分离、减少和余热回收,以及可持续生产。目前正与工业合作伙伴在能源密集的工序、先进材料、分离技术、纳米制造、替代燃料和原料、无线传感器、工业分布式能源和工业能源评估方面进行合作研究。10年来,通过工业需要和科研相结合,该项目降低能源强度(也称为单位产值能耗)25%和减少了工业碳足迹。

5、国家安全

ORNL为美国联邦、州和地方政府机构和部门提供技术和专业知识,以支持国家和国土安全的需要。该项技术和专业知识也与工业部门分享,以提高美国经济在世界市场上的竞争力。

ORNL的国土安全项目办公室采用支持承担国土安全任务的国土安全部和其他机构的机制。通过整合许多关键能力,ORNL能够给联邦和地区的国土安全部门以及其他承担国家安全任务的机构提供关键性的运作、技术和科学支持。上述关键能力包括:如放射性和核材料的探测、放射性和核的取证和归属、利用质谱测定法进行化学和生物探测、采用微型设备和小型化的传感器、对铀燃料循环的独特理解、对国际防止核武器扩散计划,情报,防护措施,遵守条约和出口限制的支持、知识发现、危害建模,模拟和后果管理、全面的性能测试和应用规划/实施/评估、标准制定和环境测试等。

6、高性能计算

国家科学计算中心NCCS(National Center for Computational Sciences)提供世界上开放式科研最强的计算资源。它支持进一步了解物质世界如何运作,并利用这些知识来解决国家和国际社会关注的研究环境。NCCS成立于1992年,根据美国能源部科学局先进科学计算研究项目进行管理。

NCCS安装有两个大规模并行计算机系统,由Cray制造。美洲虎(Jaguar)是更强大的系统,专门用于开放科研,拥有每秒浮点运算次数1.759千万亿次的峰值性能,是世界上第二快的系统。另一台是Cray XT5美洲虎超级计算机,2009年11月在世界上最快的超级计算机500强名单中排名第一,其峰值速度为每秒浮点运算次数为2.33 千万亿次。为了支持其集中计算能力,NCCS已经安装了高速光纤网络,以加快数据的传输,形成科学可视化中心,使研究人员能够快速,全面分析其模拟结果和高性能的数据存档和检索系统。

ORNL的国家科学计算中心

 

NCCS仅服务于能够产生突破性成果的那些项目。每年,需要大量计算资源以实现其承诺的少数几项研究工作被分配高达几百万机时。这些前所未有的计算能力水平对于研究以下领域非常重要:设计可提供碳中性可持续发展能源的聚变反应堆、提供疾病新疗法的工程蛋白或有效从生物质释放能量、研究气候变化、以及设计具有专门特性的新材料。

7、纳米技术

ORNL纳米科学基础研究着重于发现新材料和新现象,了解能够构成预测新一代功能材料的组成和性能的物理和化学相互作用。为此,设有以下机构:

·生物和纳米尺度系统组

生物和纳米技术组的重点是表征、整合和适应跨多个尺度的自然和合成系统。持续强调表征和了解自然系统在纳米尺度如何组成,以及这一组成如何促成生物学功能。 

为了支持这一目标,一个跨学科的组集中对特殊感兴趣的生物成像技术、生物相容性微型和纳米加工技术和高通量筛选技术进行技术开发。目前的成像项目评估微生物系统,并寻求追查膜蛋白的位置和数量,确定相互作用的蛋白质,和确认生化网络。纳米技术的项目集中在模仿生物细胞的物理和化学特性,开发具有生物相容性图案的技术,并适应生物纳米材料制备路线。

本组维护分子生物学和分子以及细胞成像方面的全面资源,和利用ORNL纳米相材料科学中心的先进制造能力。

· 纳米应用中心

ORNL的纳米应用中心采用最先进的设备和多学科研发能力,将纳米科学的发现转变为改变能源环境和提高经济竞争力的创新技术。鼓励创新与新能源相关的纳米技术,通过负责地开发大规模生产的工艺和提供前所未有的能源、成本、效益和生产力的纳米尺度材料、结构、设备和系统的应用来帮助改变制造业。现在从事以下研究:

— 材料的处理和加工包括气相处理、薄膜、自组装和化学处理、散装材料以及纳米材料设计和工艺造型。

— 表征用于分析和开发的最先进的工具,以及实时测量。

— 负责有效监控工艺和工作地点;工艺开发,以有效改进和减少废料和排放物,以及风险评估。

— 快速研制和部署样机,包括提出工艺和按比例放大。

·纳米应用中心取得的成就:

 

     

 

超导线(Superconducting Wires)

ORNL通过绝缘纳米点的三维自组装研制出高温超导线。分布在厚膜超导第二代线的整个厚度上的纳米点阵列作为有效磁通钉扎中心,满足了最实际的功率应用的要求。2006年,该项成就作为“最佳之最佳”被《纳米技术摘要》专业杂志授予国际纳米技术50强奖。2008年,该实验室的Amit Goyal博士因开发区出此项技术获得发明者奖。

诊断(Diagnostics)

ORNL正在开发和实施直接操纵转录过程的纳米结构器件 – 凭借转录过程,细胞内的基因可通过电子控制被诱导或压抑。该方法是利用细胞渗透纳米电极作为细胞界面的纳米功能,使拴系的遗传物质可被引入到一个细胞和通过多尺度设备平台应用的外部刺激进行监管。该研究平台是一个包括了解在一个单细胞内单个基因功能广泛应用的有力工具。

纳米发酵(Nanofermentation)

纳米发酵采用自然金属还原菌株创造定制的各种重要工程材料的单晶纳米颗粒。细菌可以在工业生物加工中用于制造混合金属氧化物的发现,取得了大规模纳米粉体合成的突破。颗粒的大小和形态可由集中方法加以控制,包括温度、孵化时间和选择电子供体或某些化学添加剂。

采用熟悉、成熟的工业设备和简单的发酵做法,纳米发酵在室温或接近室温进行。该菌株是完全自然的,并不危险。操作过程可在使产品符合特殊需要的广泛条件下进行,并可容易地按比例增加。纳米发酵产生广泛成分的极其细微,控制良好并具有很强的结晶产品。

纳米强化合金(Nano-Strengthened Alleys)

ORNL的革命性的快速红外线加热过程控制在纳米级晶粒细化到生产具有优越的抗拉强度和抗疲劳性能的高性能锻件。ORNL正与锻造业协会一起使这个研发100大奖获奖技术实现商业化。

超疏水材料(Superhydrophobic Materials)

ORNL开发了具有通过减少摩擦和减少腐蚀,以减少能量损耗潜力的超疏水(防水)纳米结构材料。ORNL正致力于将超疏水氧化物为基础的粉末商业化。这种粉末具有精确重复和每个粒子表面有高度统一尺寸的纳米特性。

这些功能都涂有一个含氟化合物处理单层。这些超防水材料有许多一般的和高级的用途,包括针对减阻和强化传热的节能应用、新型传感器和生物医学的应用。ORNL目前正在努力提高粉末的质量和开发粘结剂系统。

实时表征(Real–Time Characterization)

ORNL开发了一种技术,利用商用微分迁移率分析仪实时抽样气相工艺生产的纳米颗粒。已对金属氧化物颗粒和碳纳米材料的生产工艺进行了演示。该系统最近在Luna nanoWorks公司的等离子体电弧反应器上进行了试验。

·纳米尺度科学和设备组

纳米尺度科学和设备组是ORNL生物科学部的一部分。其研究领域包括:吸收引起的应力、纳米电子机械系统和微电子机械系统传感器、纳米尺度分子力学、接口的物理和化学、扫描探针显微镜和分子梳。

通过开展这些领域的研究,建立一个许多传统上单独的科学领域令人兴奋的融合基础,分子生物学,流体力学,量子力学和光子学之间一度明显的边界划线被跨越。所取得的技术进展有可能造福人类,从对癌症的改进检查和治疗,地雷的探测,人工恢复视觉和听觉受损的视力和听力,到保护平民和部队防止常规武器以及核武器和生化武器的袭击。

·生物和纳米尺度组

生物和纳米尺度组的纳米技术研究包括以下几个项目:利用纳米类似物的纳米传感和驱动;生物功能表面分子尺度通过扫描探针光刻;和生物分子接口纳米尺度设备图案化。这些项目针对设计,建造和实施对接口、模仿或表征生物系统有用的纳米结构。

8、其他研究领域

除主要的重点领域之外,ORNL还在以下科学领域开展世界一流水平的研究:

·化学科学领域

ORNL采用实验、理论和计算的方法开展化学的基础和应用研究,包括:化学生物科学、流体界面反应、结构和运输、地球化学与水溶液化学、多种多样催化作用、 激光光谱学、质谱测定法、材料化学、分子变换和燃料化学、 中子科学、聚合物,合成与表征、 放射性材料表征、分离化学、表面科学与界面化学、以及理论、建模和模拟。

·核物理领域

研究的重点领域是,在实验方面,重点放在重离子和原子物理;在理论研究上,重点放在核物理、天体物理和核 - 粒子界面的物理。

 

三、大型实验设施

ORNL拥有许多极为复杂的实验研究设施。这些研究设施旨在服务于ORNL的科技人员,以及来自大学、工业部门、国外研究机构和其他政府实验室的研究人员。

1、橡树岭等时性回旋加速器

橡树岭等时性回旋加速器ORIC(Oak Ridge Isochronous Cyclotron)是一台可变能量多粒子加速器,1962年建成。等时性或磁场沿方位角变化回旋加速器的概念首先由L.H. Thomas于1938年提出。等时性是指通过径向增加磁场,以补偿离子质量相对论性增加所得到的沿轨道绕转的恒定频率。因为径向增加磁场使束流散焦,为环流时没有损失和有效引出,所以需要磁场中方位角的变化使束流聚焦。橡树岭等时性回旋加速器是首先建成的等时性或磁场沿方位角变化回旋加速器之一。

橡树岭等时性回旋加速器ORIC

 

橡树岭等时性回旋加速器的主要用途是作为产生放射性离子束的驱动器,给位于放射性离子束注入器平台的靶 - 离子源装置提供强质子、氘核和a粒子。靶反应产生放射性原子,然后离子化和被加速。

2、脉冲中子源

橡树岭电子直线加速器脉冲中子源ORELA(Oak Ridge Electron Linear Accelerator Pulsed Neutron Source)是个以电子加速器为基础的大功率中子源,它提供强中子毫微秒脉冲,每个脉冲里有能量在10e-03 - 10e08 eV的中子。ORELA每年大约运行1200小时,是个用户装置,对大学、国家实验室和工业界的科学家开放。后来,它的任务由从事应用研究转为核天文物理学研究,这是个在ORELA历史上非常富有成果的领域:了解通过慢中子俘获过程和合成重元素所需要的中子俘获截面的多数测量,是在橡树岭电子直线加速器上进行的。

 

 

在ORELA上可进行许多类型的中子截面测量(总的、俘获、裂变、弹性、散射以及伽马射线和中子产生),能量分辨率极好。采用飞行时间方法确定相互作用的中子能量。还进行探测器的标定和探测器对中子的响应测量。中子通量峰值约1 MeV时,利用橡树岭电子直线加速器进行许多类型的辐射损坏和活化研究最为理想。

 

ORELA由一台180 MeV的电子加速器、中子产生靶、200米长通向地下探测器位置的隐藏真空飞行管、许多复杂的探测器、数据获取和分析系统组成。中子由来自钽辐射器的韧致辐射产生。慢化的或非慢化的中子都有,光谱的形状由可移动的滤波器进行进一步的修整。脉冲宽度为4-30毫微秒,重复率每秒为12 - 1000个脉冲。世界上还剩一台类似的装置,在比利时。

3、散裂中子源

散裂中子源SNS(Spallation Neutron Source)是以加速器为基础的中子源,占地30英亩,耗资14.117亿美元,历经10 年,于2006年6月5日正式竣工。ORNL的SNS工程办公室领导能源部6个国家实验室建造这一工程,它们是:阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、布鲁克海文国家实验室、托马斯杰斐逊国家加速器设施、洛斯阿拉莫斯国家实验室和ORNL。

 

Artist's conception of SNS.

SNS分工示意图 

Front End Systems(前端系统,由劳伦斯伯克利国家实验室制造)

Accumulator Ring(累积环由布鲁克海文国家实验室制造)

Linac(直线加速器,由洛斯阿拉莫斯国家实验室和杰斐逊实验室制造)

Target(靶,由ORNL制造)

Instrument Systems(仪器系统,由阿贡国家实验室和ORNL制造)

 

虽然美国能源部宣布SNS于2006年如期和按预算竣工,但美国政府问责局发现工程拖期8个月,超支7300万美元,相当于超过预算的5.9%。现在,它提供世界上最强的脉冲中子束流,用于科学研究和工业发展。作为一个用户装置,它使来自世界的研究人员能够研究构成能源、通讯、制造、运输、新技术,信息技术、生物技术和健康基础的材料科学。计划将中央冷却水改造为重水(氘氧化物)提高中子的产量。

中央实验室和办公大楼(CLO)目前每年接待300-400名外来的研究人员,他们利用中子打击、探索物质和它们界面的结构和动态行为。与中央实验室和办公大楼相连的一座单独建筑是由能源部单独资助的纳米相材料科学中心。SNS的设计留有余地,便于建造第二个靶装置建筑,使总的实验能力提高一倍。

SNS的靶安放高达24 个中子束流仪器。目前,已经分配了其中的17个束流位置,并包括为SNS独特能力特别设计的世界一流水平的衍射仪、光谱仪和反射仪。一条光束线专门用来研究基础中子物理。每个仪器都为一个特定的科学领域进行优化。总的说来,各种仪器对原子和分子水平的物质的结构和动力学进行广泛的研究。

这些仪器的使用范围从研究焊接周围的局部拉力,到研究层状材料中的磁现象,在到生物材料中的功能性的实验。前三个仪器2006年开始运行,新的仪器按每年完成1到4个的速率至少到2011年。

SNS的结构

SNS带负电荷的氢离子由离子源产生。每个离子由两个电子绕行的一个质子组成。离子注入到直线加速器,直线加速器将它们加速到非常高的能量。这些离子通过一个金属箔,该金属箔剥去每个离子的两个电子,将其转换为一个质子。质子通过一个环,在那里它们累积成束团。每个质子束团作为一个脉冲从环释放出来。高能质子脉冲打击一个重金属靶,该金属靶是一个装液态水银的容器。通过散裂过程释放的相应中子脉冲在减速剂中被减慢下来,并通过光束线被引导到装有专门仪器如中子探测器的区域,不同能量的中子在那里可用于各种各样的实验。

基准设计要求有一个加速器系统,包括一个离子源,全能量直线加速器和一个累积环,两者结合起来产生短的强大质子脉冲。通过散裂中子核反应过程,这些质子脉冲撞击到一个水银靶。在最大功率时,SNS向靶发送140万瓦(1.4兆瓦)的束流功率,设计SNS时,为未来提供额外的科学产出提供了灵活性。这种做法的目的是提供一个良好的设施,满足进入下一世纪中子科学界对中子流强的需求。

·中子源

由劳伦斯伯克力国家实验室 (LBNL)负责设计和建造SNS的前端系统,包括一个离子源,束流形成和控制硬件,以及低能束流传输和加速系统。离子源产生负氢离子 - 带一个额外的附加电子的氢一 形成一个脉冲束流,并被加速到2.5 MeV。这一束流被传送到一个大的线性加速器。

·直线加速器

SNS直线加速器

 

由洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)负责直线加速器。直线加速器将负氢束流从2.5加速到1000 MeV或1 GeV。该直线加速器由正常传导和超导高频腔叠加而成,腔体加速束流和提供聚焦和导向的磁铁布局。使用了三种不同类型的加速器。前两个加速器,即漂移管直线加速器和耦合腔直线加速器由铜制成,室温运行,将束流加速到约200 MeV。其他部分的加速由超导铌腔完成。这些腔体用液氦冷却到工作温度2000。诊断部件提供有关束流电流、形状、定时方面的信息,以及确保束流适于注入到累积环,并使高功率束流得到安全控制所需的信息。

·累积环

SNS Ring.

SNS圆环增强高速离子束,并且以每秒60次的速率将其射到水银靶

 

由布鲁克海文国家实验室(BNL)负责累积环结构。累积环结构使离子束形成束团并增强离子束,发送到水银靶,产生脉冲中子束。直线加速器产生的强负氢束流必须锐化1000次,以便产生最佳中子散射研究所需要的极短和尖锐的中子束团。为实现这一目标,直线加速器产生的负氢(H -)脉冲通过剥离金属箔被掩蔽在环中,剥离金属箔从带负电荷的氢离子剥离电子,产生在环中运行的质子(H + )。大约累积1200圈,然后所有这些质子立即被踢出,产生小于10–6秒的脉冲送到靶。用这一方法,以每秒60次的速率产生、储存和引出短的强中子脉冲打靶。

·靶

ORNL负责设计和建造液体水银靶。因为进入的1 GeV 质子束流的短强脉冲要将大量的能量存在散裂靶中,所以决定采用液体水银靶,而不是像钽或钨这样的固体靶。SNS是第一个采用纯水银作为质子束流靶的科学装置。

 

SNS target.

矩形物体是SNS的靶(内装液态水银),散裂在此发生

 

选水银作为靶有几个原因:(1)它不像固体靶,不会被辐射损坏;(2)它有高的原子序数,成为一个无数中子的源(水银原子核平均有120个中子和80个质子);(3)因为室温时它是液体,所以它比固体靶更能消除温度大量快速上升,并经受住快速高能脉冲引起的冲击效应。

从靶出来的中子必须变成适用于研究的低能中子,也就是说,它们必须减速到室温或更低点。从靶来的中子通过装满水的管(产生室温中子),或通过温度20K的液氢容器(产生冷中子)减速。这些减速剂位于靶的上部和下部。冷中子特别有助于研究聚合物和蛋白质。

SNS采用的是一种产生中子的特有安全方法,因为质子束中断后,中子产生停止。它还产生极少的危险物质。为使装置的安全性达到最大程度,SNS的设计中包括有多种牵制水平,防止潜在的危险物质进入环境。

SNS的升级改造

SNS的设计和硬件中留有许多技术余地,便于将功率从基准1.4兆瓦升级到2-4兆瓦的范围,最终也许到5兆瓦。升级计划基于为改善直线加速器的超导腔性能,减轻累积环中的强度阈值,和降低水银靶中的空蚀的SNS发展计划的最新进展。由于升级的关键要素依赖复制现有的设计,所以升级定位于富有挑战性的部署,2008财政年度开始建造,2012财政年度完成。升级的费用为1.5亿美元至1.73亿美元。这次升级将改善所有在SNS安装的散射仪器的性能,并在将来提供也可引出到一个潜在的第二个靶的束流功率,拓宽SNS仪器套件和可研究的科学范畴。

SNS功率升级将大约花费最初装置造价的10%,而使SNS的科学能力约提高1倍。束流能量将增加30%,从1.0 GeV 提高到1.3 GeV,束流功率3.0 MW时,时间平均加速器输出束流流强将增加65%,从1.4毫安提高到2.3毫安。SNS的加速器束流能量提高30%时,有很小的技术、费用或进度风险。技术风险在于方程的流强一面;需要研究和开发的三个主要的技术风险领域是离子源、碳剥离膜和水银靶。

SNS实验仪器分布

SNS束线及实验仪器分布

 

各条光束线上的仪器按上图编号加以说明:

BL-2 背散射谱仪(Backscattering Spectrometer),研究大分子动力学、分子约束系统、聚合物、生物学、化学和材料科学;

BL-1B 纳米尺度有序材料衍射仪(Nanoscale Ordered Matreials Diffractometer), 研究液体、溶液、聚合物、单晶和部分有序复合材料;

BL-18 广角范围斩波光谱仪 (Wide Angular-Range Chopper Sapectrometer), 研究材料科学、化学和凝聚态科学中原子水平的动力学;

BL-17 高分辨率费米斩波光谱仪 (Fine–Resolution Fermi Chopper Spectrometer), 研究复杂流体、量子流体、磁性、凝聚态和材料科学;

BL-1A 超小角度中子散射仪器 (Ultra-Small-Angle Neutron Scattering Instrument), 研究生命科学、聚合物、材料科学、地球和环境科学;

BL-16B 振动光谱仪(Vabrational Spectrometer), 研究分子系统和化学中的振动动力学;

BL-16A 将来拟定;

BL-3 散裂中子和压力衍射仪 (Spallation and Pressure Diffractometer), 研究材料科学、地质学、地球和环境科学;

BL-1C 将来拟定;

BL -15 中子回波斩波光谱仪 (Neutron Spin Echo Spectrometer), 研究慢过程动力学、聚合物、生物大分子;

BL- 4A 磁性反射仪(Magnetism Reflecter), 研究化学、层状系统的磁性和接口;

BL -14B 混合光谱仪(Hybrid Spectrometer), 研究单晶体中原子水平的动力学、磁性、凝聚态科学;

BL-14A 将来拟定;

BL-4B 液体反射仪(Liquids Reflecter), 研究复杂流体中的接口、聚合物、化学;

BL-13 基础中子物理光束线(Fundamental Neutron Physics Beam Line), 研究中子的基本特性;

BL-5 冷中子斩波光谱仪(Cold Neutron Chopper Spectrrometer), 研究凝聚态物理、材料科学、化学、生物学、环境科学;

BL-8A和BL-8B 均将来拟定;

BL-11B 大分子中子衍射仪 (Macromolecular Neutron Diffractometer), 研究膜蛋白的原子水平结构、药物组成、DNA;

BL-12 单晶衍射仪 (Single-Crystal Diffractometer), 研究化学中的原子水平结构、生物学、地球科学、材料科学、凝聚态物理;

BL-6 扩展的Q范围小角度中子散射衍射仪(Extended Q-Range Small-Angle Neutron Scattering Diffractometer),研究生命科学、聚合物、胶体系统、材料科学、地球和环境科学;

BL-9 弹性漫散射谱仪 (Elastic Diffuse Scattering Spectrometer), 详细研究晶体材料中的无序;

BL-10 将来拟定;

BL-11A 粉末衍射仪 (Powder Diffractometer), 研究化学、材料科学和包括磁自旋结构的凝聚态物理的原子水平结构;

BL-7 工程材料衍射仪(Engineering Material Diffractometer), 研究机械行为、材料科学、材料处理。

SNS开始时有一个靶站,工作频率为60 Hz。用两个“热”减速剂和两个“冷”减速剂为18条光束线服务,在这些光束线上建造各种仪器。SNS期待每年有来自科学和工业界的1000–2000个用户使用其实验设备。因为不是所有这些用户都是中子散射方面的专家,所以SNS提供科学家和技术员维护和运行这些仪器,并同用户界密切合作。最终使用的仪器由用户界通过SNS仪器监督委员会确定。

广大的用户界已经并且将继续参与仪器的设计、建造和运行。用户界推荐和提出优先在60Hz靶站上安装的一套10台仪器。保留8条光束线供合作研究组研制和安装另外的仪器。

SNS上的科学研究

SNS上的仪器,如中子光谱仪,用来确定晶体、陶瓷、半导体和蛋白质中原子的位置和排列。中子光谱仪如何工作?由散裂中子源产生的中子脉冲沿着飞行轨道到达样品。由于中子具有不同能量和波长,所以它们按时间分布,呈现出到样品的连续光谱。当晶体中的原子之间的距离与入射的中子波长相匹配时,该中子散射进入多探测器,记录散射中子的位置(散射角)和到达时间。其结果是图谱呈多峰状,显示到达多探测器中每个点的不同数量的中子的不同位置和到达的次数。这种峰状告诉科学家们晶体中的不同原子是如何在排列的。

Outside the backscattering spectrometer.

SNS的背散射光谱仪

 

以相同原理为基础的仪器可以用来确定玻璃和复杂流体的原子结构,或工业部件中的残余应力。测量非弹性散射的仪器需要测量中子跨越往返样品路线的时间。用这种方法,仪器可以确定重要材料的激发谱和使原子保持在一定位置的力。飞行时间技术使为每个中子脉冲搜集大量数据点成为可能。测量中子时间飞行仪器的效率和产生流强,不断提高以加速器为基础的散裂中子源的能力,将来可以不断提供改进的中子源。

4、高通亮同位素反应堆

高通量同位素反应堆HFIR(High Flux Isotope Reactor)是多用途的85兆瓦同位素生产和试验反应堆,具有进行各种辐照实验的能力和设施。HFIR的独特之处在于,它提供世界上任何反应堆都可得到的最高稳态中子通量,和从四个横向束流管道中来的中子流强是最高的。

高通量同位素反应堆HFIR鸟瞰

 

HFIR原来的主要目的是生产超铀同位素,在原来的设计中提供了许多实验辐照设施,后来又添加了其他几个。实验辐照设施包括:(1)来自铍反射器的四个横向束流管道;(2)位于通亮陷阱最高通量区的液压管道设施。反应堆运行时,该液压管道设施可插入和去除辐照样品;(3)通常含有超铀生产棒,但可用于其他实验辐照的通量陷阱里的32个靶位置(两个是最近改造提供的备有仪器的靶位置);(4)位于通量陷阱外缘位置的六个外围靶位置;(5)位于整个铍反射器的无数大大小小的垂直辐照设施;(6)为进行活化分析反应堆运行时,可插入和去除辐照样品的铍反射器中的二个气动管设施;(7)位于毗邻铍反射器外缘被称为“工程设施”的四个倾斜通道设施。此外,废燃料组件被用于反应堆水池中伽马辐照设施中的伽马辐照。

 

高通量同位素反应堆HFIR

 

HFIR是铍反射,光-水-冷却和慢化,通量陷阱式的反应堆,使用高浓铀235作为燃料。该反应堆的堆芯组件放在位于水池中的一个直径8英尺(2.44米)的压力容器里。压力容器的顶部在池面17英尺(5.18米)以下,反应堆的水平中板位于池面27.5英尺(8.38米)以下。控制盘驱动装置位于压力容器下方的堆下室。这些功能为在反应堆堆芯上方工作提供必要的屏蔽,极大地便于到达压力容器、堆芯和反射器区。

反应堆堆芯由一系列的同心环组成,每个约2英尺(0.61米)高。一个直径5英寸(12.70厘米)的孔,被称为“磁陷阱”,形成堆芯的中心。靶通常包含锔 244和其他的超铀同位素,它位于通亮陷阱内的反应堆垂直轴的位置。燃料区由两个同心燃料元件组成。内在的元件包含171个燃料板,外层元件包含369个燃料板。燃料板弯曲成渐开线的形状,从而提供了一种恒定的冷却液通道的宽度。燃料(八氧化三铀铝金属陶瓷)非均匀地分布在渐开线弧,以减少径向峰均功率密度比。内部燃料元件包含一种可燃毒物(硼),主要是为了减少对控制板的负反应度要求。具有典型的实验载荷的堆芯平均寿命85兆瓦时约为22天。

燃料区的四周是约1英尺(0.30米)厚的铍反射器同心环。反过来,该区又分为三个区:可移动反射器、半永久性和永久性的反射器。铍的四周是无限的有效厚度的水反射层。在轴向方向,反应堆由水反射。

两个薄的带有毒物的同轴圆柱体形式的控制板位于外燃料元件和铍反射器之间的环形区。这些板向相反的方向驱动。内圆柱体向下运动提高反应度,但仅用于垫补和控制;即它没有快速安全功能。外部控制圆柱体由四个单独的扇形体组成,每个扇形体都有一个独立的驱动器和安全释放机制。外板提高时,反应度增加。所有的控制板都有三种不同的毒物含量,以减少整个堆芯寿命期间的轴向峰均功率密度比。任何单个棒或圆柱体都能够关闭反应堆。

反应器仪表和控制系统的设计反映了重点放在运作连续性,同时保持安全运行的重要性。三个独立的安全通道都安排在一个巧合的系统中,需要三个中的两个一致进行安全停机。此特征由粗放型“在线”测试系统补充,允许任何一个通道的安全功能在操作过程中在任何时间进行测试。此外,对三个独立的自动控制通道排列,以便使一个单一的通道故障不会干扰运行。所有这些因素都有助于HFIR运行的连续性。 

主冷却剂通过堆芯上面的两个直径16英寸(40.64厘米)管道进入压力容器,经过堆芯,通过堆芯下面直径18英寸(45.72厘米)的管道退出。流速约为16000加仑/分(1.01立方米/秒),其中约13000加仑/分(0.82立方米/秒),流过燃料区。其余流经靶,反射器和控制区。该系统设计在468 psig(3.33 × 106 Pa)额定进口压力运行。在这些条件下,冷却剂入口温度为120华氏度(49摄氏度),相应的出口温度为156华氏度(69摄氏度),以及通过堆芯压力降低大约是110磅(7.58 × 105帕)。

从反应器,冷却液流量被分配到四个相同的换热器和循环泵的三个组合系统上,每个位于靠近反应堆和存储池的一个单独的单元内。每个单元还包含一个控制阀主冷却剂压力的减低阀。二次冷却系统通过使水通过一个四单元的诱导通风式凉水塔从主系统除去热并将其传送到到大气中。

 

HFIR束线及实验仪器分布

 

http://neutrons.ornl.gov/instruments/SNS/beamline.shtml 

HFIR的燃料循环通常包括在85兆瓦全功率运行,为期21至23天(取决于实验和反应堆中的放射性同位素负载),接着是周期结束停运加燃料。一个典型的结束周期加燃料持续约4至6天,但偶尔停运延长,以便根据需要进行控制盘更换、校准、维护和检查。周期中断期间,伴随实验装置的插入、拔出。强烈劝阻中断燃料循环安装或拔掉实验装置。很少偏离日程安排表,偏离通常由定期更换主要反应对部件、反应堆、实验部件故障等原因引起。

5、Holifield 放射性离子束装置

Holifield放射性离子束装置HRIBF(Holifield Radioactive Ion Beam Facility)是一个为能源部运行的国家用户装置,产生用于研究奇异原子核和天体物理的高质量短寿命放射性原子核。橡树岭等时性回旋加速器产生的轻离子强束打击高度耐熔靶时,产生这些原子核。放射性同位素从产生靶弥漫出并电离化,形成所选择的束流和质量。这种放射性离子束的生产技术被称为同位素分离器在线技术,该技术说明如下。放射性离子束,然后注入25 MV串列静电加速器 - 世界上最高的高压静电加速器。

 

Holifield放射性离子束装置HRIBF

 

HRIBF是世界上提供短寿命丰中子种类的加速束流的唯一装置。这种束流采用各种光谱技术被用来探讨奇异原子核的结构。由此产生的信息为核理论提供宝贵的意见,因为它竭力提出对原子核的统一的标准描述。增加了反应研究的这项工作,阐明原子核中质子和中子运动的性质。与丰中子加速束的反应,帮助我们了解重的和超重原子核的合成机制。

在HRIBF上进行的核结构研究,提供对使质子和中子集中在原子核中的力的性质的深刻了解。利用库伦势垒上面的强束和探测最短寿命的丰质子原子核新技术,HRIBF测试核稳定性的极限。这些原子核具有奇异的衰变模式,如单和双质子发射。

HRIBF产生放射性原子核束流,这些束流具有广泛的易可变能量和流强,足以允许对为新星,X射线爆发和其他恒星爆炸提供动力的核反应进行一些初次的直接测量。HRIBF的高品质放射性束与为天体物理学优化的实验设备的独特组合,已经能够利用放射性束流对恒星反应进行高精度测量。

 

Holifield的同位素分离器在线技术运行简图

 

HRIBF的独特功能,可通过利用放射性束流直接测量反应,来确定一些同位素如何在恒星爆炸中快速形成,以及它们如何迅速被摧毁。需要这些测量,以减少预测许多核素的合成,包括长寿命放射性同位素,以及构成我们世界的那些长寿命同位素的大的不确定性。

HRIBF试图回答的问题是驱动低能量核物理领域的主要问题:

·质子和中子如何使原子核和同位素稳定?

·复杂原子核中的简单模式的起源是什么?

·可能存在的最重的原子核是什么?

·从铁到铀的元素何时和如何产生?

·恒星如何爆炸?

·中子星物质的性质是什么?

·对原子核的认识和它们产生的能力如何造福人类?

6、大尺度气候模拟器

大尺度气候模拟器LSCS(Large Scale Climate Simulator)提供12.5X12.5英尺大的试验段上面和下面的受控温度和湿度条件。试验段组装在大尺度气候模拟器外面的平台中,由吊车移动。组装件可重达10吨多,6英尺高。

 

 

上图显示一个低坡屋顶试验段正在大尺度气候模拟器中安放,下图显示住宅阁楼的试验段。一旦试验段安装了所有仪器仪表和对其进行了检查之后,自动化的数据采集和控制系统便在其上下保持所需的条件,记录热电偶和电阻温度装置、热流量传感器、相对湿度传感器、质量流量计、称重传感器、电流分流器或产生电压输出的任何传感器的反应。

气候室模拟任何感兴趣的户外条件:从150°F至-40°F的稳态温度和范围广泛的相对湿度(露点温度可控,从37华氏度到122华氏度)。红外灯可以加热表面温度到200°F。有足够的加热和制冷能力来改变在昼夜周期模拟的室外条件,这就能对试验段的动态反应进行测试。

 

监控室的温度可控制在40-150°F,它的露点温度可控制在与气候室中的同一范围内。随着计量室的降低,监控室提供稳定的温度和相对湿度来模拟多个墙板条件下的室内条件,通常4到9个长方形的建筑。各墙板的施工特点可以多种多样,同时测试不同特性的效果。靠单墙板测试段底部安放计量室后,在8 X 8英尺计量区下,温度可保持在40-150ºF。这么大的计量面积可以对实际屋顶的细节进行测试。例如,对由木材或金属屋面构件造成的热桥影响可以进行衡量。跨越计量区的热流量由计量室的能量平衡加以确定。其精度已经被证实好于+ / -3%,其偏差不超过5%。为大尺度气候模拟器建造的试验段包括一个可同时测试有四个不同低坡屋顶段的试验段。其中一个墙板具有大型反射腔作为它的绝缘配置。两个九墙板的试验段有两个不同的结构和四个不同的隔气层系统。加水和称重每个墙板的组件显示从每个墙板逃脱了多少水。后来一个用于研究干燥速率的六墙板的试验段使每个墙板在称重传感器上平衡,来记录每个墙板的重量损失率。计划用一个多墙板试验段来探讨自干低坡屋顶的概念。住宅阁楼试验段被用来分别测试各种棉絮和松散填充绝缘物。后来,增加了一个管道系统,以确定其对住宅阁楼条件的影响。

 

大尺度气候模拟器一个有趣的用途是,提供冬季和夏季条件,同时沿短距离的电力传输线测量当地的温度(上图)。在测试过程中,电力传输线承载高达1750安培的电流。红外灯模拟阳光照负荷。附加的风扇放在外壳的背后,以在传输线上提供微风。

7、其他研究设施

ORNL有近20个复杂的实验设施和装置,下面仅介绍其中的一部分。这些设施和装置不仅为本实验室的科学家和工程师服务,而且对美国的大学、工业界和其他的国家实验室以及国外研究机构的研究人员开放。同时,通过将不必要的重复劳动降低到最小程度,促进科学界有益的相互影响和在许多情况下最佳利用昂贵的独特设备,推动国家的研究与开发,并完成能源部的任务。

·生物工艺研究设施 

生物工艺研究设施BRF 

 

生物工艺研究设施BRF(Bioprocessing Research Facility)指采用搅拌罐、桶状反应堆和用于大规模批量和桶型实验的发酵实验生产装置,研究先进生物工艺方案的实验室组合体。研究与开发活动包括(但不局限于)饲料养分的预处理和分离、微生物培育分类和改进以及基因控制;微生物和酶的定位、先进生物反应堆原理;垃圾生物处理、处理可行性和按比例扩大、先进分析原理、生物处理检测和控制以及生化分离。

·建筑技术中心 

建筑技术中心BTRIC

 

建筑技术中心BTRIC(Building Technologies Research and Integration Center)确定、开发和推广可持续性和能源效率高的建筑技术和系统。该中心为美国建筑业提供建筑外壳、加热和冷却以及设备的测试和分析诀窍。其他研究领域为监测和系统分析现有的建筑工作。

·锎中子科学用户设施 

锎中子科学用户设施(Californium User Facility for Neutron Science)是个采用紧凑型(手指大小)锎-252中子源容器的独特中子辐照装置。这些中子源为能源部锎-252分配计划储存在锎用户装置。有两个没污染的热室研究人员可以进入和组装实验设备,之后是能放射出大于1011中子/秒的锎-252中子源,这些中子源可用于辐照。快中子谱(平均能量约为2.1 MeV)可调制到热中子谱,小样品容积可由大于108 cm-2 s-1的热和/或快中子通量辐照。相应的伽吗剂量比中子剂量小得多。利用锎用户装置的实验避免了在规章和放射性方面对中子源进行监管和处理的考虑。

·工业创新计算中心 

由于ORNL的计算能力,工业创新计算中心CCII(Computational Center for Industrial Innovation)的用户们利用它的计算能力,解决以前因计算能力不足或没有适当的软件而无法解决具有挑战性与工业有关的问题。

·冷暖和动力综合实验室

冷暖和动力综合实验室CHPIL(Cooling, Heating and Power Integration Laboratory)是使来自工业界、大学和其他研究机构的研究人员为建筑申请对分布式能源产品和系统进行测试的设施,它可使开发者进行性能和可靠性测试。

·燃料、发动机和排放研究中心

 

燃料、发动机和排放研究中心FEERC

 

燃料、发动机和排放研究中心FEERC(Fuels, Engines, and Emissions Research Center)专门详细描述内燃发动机的排出物和效率,其综合能力包括半敞开的发动机排气模拟器,各种各样的功率计和车辆。该中心有几个专用诊断和测量工具,还包括许多旨在协助开发和评估发动机和排气控制技术的美国其他设施少见的工具。

·高温材料实验室

高温材料实验室HTML

 

高温材料实验室HTML(High Temperature Materials Laboratory)提供最先进的表征确定表面和大部分材料在分子水平组成和微结构的仪器设备;测量在各种环境条件下的机械性能,特别是生命预期研究,在模拟使用条件下蠕变和疲劳实验,以及微机械测试和分析;用于对材料变化、结构、稳定度、反应和通过现场衍射膨胀的高温和室温研究;通过衍射方法,测量剩余应力和结构(极性图);为各种各样的样品如涂层、薄膜、复合材料等提供大量独特的高温热传递和热分析设备;利用装有仪器的磨床研究最佳研磨参数,并对加工过的部件进行精密测量,以及进行摩擦和磨损研究。

·金属处理实验室用户设施

金属处理实验室用户设施MPLUS(Metals Processing Laboratory Users Facility)提供专门设备,用于研究材料合成(熔融、铸造和粉末冶金);变形处理(锻造、轧制、挤压成型和热机械处理);材料表征(机械性能、断裂力学、非损伤性检查、腐蚀、计算机控制膨胀计分析(淬火、变形和低温),以及数据库生成;连接(焊接、铜焊、粘合以及固化监视和控制);利用世界上一些最大型的并行计算机和ORNL人员开发出的计算代码,进行数学模拟(预测热梯度、熔化的金属流动、相平衡、固化率、张力分布、剩余应力等)。使用陶瓷和复合材料的大量经验,也给金属处理实验室用户设施提供将金属处理技术用于对开发最终使用产品感兴趣的更为普通的材料方面的主要优势。

·老鼠遗传学研究设施

老鼠遗传学研究设施MGRF(Mouse Genetics Research Facility)包括大约800支标准的或变种的实验室老鼠。在这800种老鼠中,目前养着350种,其他450种作为冷藏胚胎、精子和/或卵巢放着。50多年来,老鼠遗传学研究设施吸引了高水平的老鼠遗传学者和分子生物学家利用这些资源开展进本研究,分析基因功能和确定老鼠中类似人类遗传疾病的原形。

·国家运输研究中心

建立国家运输研究中心NTRC(National Transportation Research Cente)的目的在于开发和评估先进的运输技术和系统,利用组先进的硬件和计算技术,解决国内和国际意义的问题,譬如空气质量下降、对不稳定石油供应的依赖、交通拥塞和高速公路的安全。

·橡树岭国家环境研究园

橡树岭国家环境研究园ORNERP

 

橡树岭国家环境研究园ORNERP(Oak Ridge National Environmental Research Park)是一个户外研究室,有几个野外研究场地。场地上有维护和支持设施,足以能够进行复杂的备有仪器的环境实验。在这些仪器中,有精细的监视系统,它们能够使使用者在延长期内精确地测量环境因子。园中的各种场地为水中和陆地的生态系统分析,像生产能源设施产生的污染物的生物地球化学的循环、地形的改变、森林和野生动物管理。因园区受联邦政府管辖,所以土地和水资源的完整性,以及为动的土地的保存得到保障。

 

美国能源部的国家环境研究园网络示意图

 

·物理性能研究设施

物理性能研究设施PPRF

 

物理性能研究设施PPRF(Physical Properties Research Facility)专门用于测量生理化学特性的,这些测量可以获得独特的数据,模拟产生基础物理特性,评价它们对工业工艺优化的影响。

·动力电子设备及电动机械研究组

动力电子设备及电动机械研究组PEEMRG

 

动力电子设备及电动机械研究组PEEMRG(Power Electronics and Electric Machinery Research Group)因其开发和制造先进功率转换器、可调速驱动器和电动机械的样机,以及功率传输和分配的研发、功率的质量、效率和测量方面的专门技术而得到世界的承认。中心提供功率转换器布局、热管理、最大程度的降低电磁干扰和减少空间和重量的装配技术、以数字信号为基础的马达驱动器控制技术、系统能量管理、飞轮能量储存应用和超高速驱动应用方面独特的专门技术。

·公用研究设备用户设施

公用研究设备之一

 

共享研究设备用户设施SHaREUF(Shared Research Equipment User Facility)在穿透电子显微镜方法、扫描电子显微镜方法、原子探头场离子显微镜方法和机械性能微分析方面提供最先进的能力。

·ORNL研究设施汇总表 

Research Facility

 研究设施

Bioprocessing Research Facility

生物工艺研究设施

Buildings Technology Center

建筑技术中心

Californium User Facility for Neutron Science

锎中子科学用户设施

Carbon Dioxide Information and Analysis Center

二氧化碳信息分析中心

Center for Nanophase Materials Sciences

纳米材料科学中心

Center for Neutron Scattering

中子散射中心

Center for Separations and Chemical Processing

分离和化学处理中心

Center for Structural Molecular Biology

结构分子生物学研究中心

Center for Transportation Analysis

运输分析中心

Computational Biology Institute

计算生物学研究所

Computational Center for Industrial Innovation

工业创新计算中心

Cooling, Heating and Power Integration Laboratory

冷暖和电力综合实验室

Defense Transportation and Logistics Laboratory

国防运输后勤实验室

Diffraction User Center

衍射用户中心

Digital Holography Microscopy Laboratory

数字全息显微镜实验室

Distributed Active Archive Center for Biogeochemical Dynamics 

生物地球化学动力学分布式动态档案中心 

Dosimetry Applications Research Calibration Laboratory

剂量学应用研校准实验室

Electric Transmission & Distribution Research

电传及分布研究

Envelope Systems Research Apparatus

包络系统研究装置

Friction, Wear, and Machinability User Center (FWMUC)

擦磨损和机械加工用户中心(FWMUC

Fuels, Engines, and Emissions Research Center

燃料发动机排放研究中心

Global Change Facilities

全球变化设施

Heavy Vehicle Safety Research Center

重型车辆安全研究中心

High Flux Isotope Reactor

高通量同位素反应堆

High Temperature Materials Laboratory

高温材料实验室

Holifield Radioactive Ion Beam Facility

霍利菲尔德放射性离子束设备

Joint Institute for Biological Sciences

生命科学联合研究所

Large-Scale Climate Simulator 

大尺度气候模拟 

Machining, Inspection, and Tribology User Center

机械加工检验及摩擦学用户中心

Materials Analysis User Center

材料分析用户中心

Mechanical Characterization and Analysis User Center

机械表征和分析用户中心

Metals-Processing Laboratory Users Facility

金属处理实验室用户设施

Mouse Genetics Research Facility

小鼠遗传学研究设施

Multiply Charged Ion Research Facility

多电荷离子研究装置

National Center for Computational Sciences

国家计算科学中心

National Environmental Research Park

国家环境研究园

National Transportation Research Center

家运输发展研究中心

Natural and Accelerated Bioremediation Research Field Research Center

自然和加速生物治理研究中心

Oak Ridge Electron Linear Accelerator

橡树岭电子直线加速器

Oak Ridge Web Test Bed Laboratory

橡树岭Web测试台实验室

Physical Properties Research Facility

物理性能研究设施

Power Electronics and Electric Machinery Research Center

电力电子及电气机械研究中心

Radiochemical Engineering Development Center

放射化学工程发展中心

Residual Stress User Center

残余应力用户中心

Roof Thermal Research Apparatus

屋面保温研究装置

Rotatable Guarded Hotbox

可旋转防护轴承箱

Shared Research Equipment User Facility

公用研究设备用户设施

Small Animal Imaging Laboratory

小动物影像实验室

Spallation Neutron Source

散裂中子源

Thermography and Thermophysical Properties User Center

热成像和热物理性能用户中心

Video Analysis Laboratory

视频分析实验室

Walker Branch Watershed

沃克布兰奇流域生态实验区

 

 

四、60年的成就

1、核动力与研究反应堆—从曼哈顿工程到电的产生

世界上现有430多台核动力反应堆在运行,103台核电厂生产美国所用电量的20%。这些反应堆的多数用普通水冷却。水还被用来减速由裂变铀燃料放射的中子,以便反应持续下去,生成热量,产生发电用的蒸气。强烈提倡用水作为反应堆冷却液的是诺贝尔物理奖获得者Eugene Paul Wigner(1902-1995)。Wigner是Alvin Weinberg的导师,后者称他为核工程的奠基人和伟大的理论物理学家。两者后来均成为ORNL的所长和共创了中子链式反应堆的物理理论。

Wigner的设计被杜邦公司广泛用于在华盛顿Hanford建造的水冷石墨减速反应堆;1945年这些反应堆生产出结束二次大战原子弹用的钚。Wigner设计了能使来自裂变钚的中子将钍转变为可裂变铀233的水冷水减速转换器,因此使他成为当今研究反应堆、海军反应堆和核电厂的鼻祖。1944年,Art Snell所做的橡树岭实验表明:10吨普通的铀棒在水减速的天然铀晶格中不会爆炸,链式反应不会发生。由Henry Newson领导的在空气冷却的石墨反应堆上所做的另外实验和Alvin Weinberg的计算表明,为在这样的晶格中获得持续反应,铀必须在可裂变的铀235中稍微加以浓缩。Alvin Weinberg在1944年的一封信中建议采用高压水作为反应堆的冷却剂和减速剂,以便产生有用的功率,他还在与Forrest Murray于1946年共同写的一篇论文中表达了这一概念。Weinberg成为加压水冷却反应堆 — 许多核电厂基础的创始人。

20世纪四十年代诞生了许多动力反应堆概念,有些发展成为现在被认为仍然有效的技术。因为认为铀非常稀少,所以一些科学家想出一种产生多余消耗钚的快速反应堆。1945年,Wigner和Harry Soodak公布了用钠冷却增殖反应堆的第一个设计。

1947年,Farrington Daniels想出了卵石铺垫的气体冷却反应堆,在这种反应堆里,氦通过裂变的铀氧化物或碳化卵石升温和带走热量后使它们冷却来产生电力。“丹尼尔斯堆”是后来在ORNL开发出来的高温气冷反应堆的雏形。

Wigner还预言辐射对用于建造反应堆材料的损伤可能会影响反应堆的安全运行。为确定辐照中哪些材料的表面最好,他想出了材料测试反应堆,第一个高功率用水冷却和减速的浓缩铀反应堆。为了材料测试反应堆,ORNL的研究人员开发出燃料元件,这种元件是在弯曲的铝板之间添加铀氧化物以防扣住。他们还开发出铍反射器将中子散射回到堆芯。

在设计材料测试反应堆时,ORNL的研究人员建造了一个小的样机,用来测试控制和液压系统。1950年,实验产生水下核反应第一个可见兰色契伦可夫闪光。因为锆抗腐蚀,所以它被认为是反应堆燃料棒含有铀粒的良好后选者。但一些样品吸收过多的中子,示意不纯。ORNL的Herbert Pomerance发现铪,一种普通的铪杂质吸收许多的中子,纯的铪吸收得极少。橡树岭的研究人员开发出一种产生纯铪的分离工艺,纯铪用于潜水艇和电厂的反应堆燃料包层。

将反应堆开发工作重点放在ANL的原子能委员的官员们认识到ORNL会有很多贡献,所以允许ORNL改进样机的屏蔽和冷却系统,使其功率水平提高到材料测试反应堆的10%。被Wigner称为“可怜人的堆”的样机被正式命名为低流强测试反应堆。

在LITR的实验确定了沸水反应堆,后来成为工业设备设计模型的可行性。ORNL的研究人员还开发出现在用的反应堆控制和保护系统的原理。

Wigner开办的橡树岭反应堆技术学校的毕业生们设计了各种的反应堆,其中之一是苦命核飞机工程的飞机反应堆。该工程的宗旨是建造不用加燃料可无限飞行的飞机。建造整体屏蔽反应堆和塔式屏蔽设施,目的是提供建造飞机用的轻重量辐射屏蔽方面的数据。ORNL建造自己开发的另一个反应堆是在1955年联合国和平利用原子能大会上展出。ORNL另外一个设计是军队组装式反应堆,即1957年由私人承包商为工程师团建造的一个在遥远基地发电的可移动设备。

ORNL开发了几台同类的反应堆,它们均由含有铀的流体加注燃料、冷却和减速,而不是用当今多数核电厂典型采用的固体燃料、液态冷却剂和减速剂。有前途的设计是熔盐反应堆,飞机反应堆工程的自然产物。它的燃料溶液在堆芯和去掉不需要的裂变产物的处理工厂之间连续循环。它是在20世纪六十年代末设计的,目的是产生电力和新的燃料铀233。现在,欧洲、日本和俄罗斯有兴趣开发熔盐反应堆作为锕类燃烧器。

20个世纪五十年代末,国际上对气冷反应堆感兴趣,ORNL在美国的HTGR计划中具有很重要的作用。其责任包括开发改进的石墨减速器、开发和实验先进的涂有颗粒高温时保留裂变产物的燃料。ORNL在开发和实验球型陶瓷燃料中已经找到支持开发下一代气体-涡轮-组件式-氦-冷却反应堆和砾床组件式反应堆。

因ORNL研究人员在反应堆方面具有广泛的经验和专门知识,所以它是Westinghouse电力公司国际联营企业中设计国际反应堆创新和安全电厂,即下一代加压水冷却反应堆唯一国家实验室。ORNL还是能源部核电计划的两个领导者之一。

橡树岭反应堆技术学校的毕业生们还设计了许多在ORNL运行的研究反应堆(6个建于20世纪六十年代),其中有橡树岭研究反应堆(1958-1988)和建有37年的高通亮同位素反应堆,它可能还能再运行30年。除生产农业、工业和医学用的同位素外,这个85MW的高通亮同位素反应堆是材料实验和开展中子散射研究的重要工具。因为中子研究,ORNL不久将成为物理和材料研究方面的一个世界强者。

2、反应堆化学—钷的发现

1914年,第一次世界大战中在战斗中阵亡的前一年,其工作影响元素在周期表中最后排序。才华横溢的英国物理学家证明在稀土钕和钐之间应该存在元素61。1941-42年美国化学家们试图造出元素61,但不能证明已经造出这一元素。

1945年,在Charles Coryell的领导下,工作在石墨反应堆上的化学家Jacob Marinsky和Larry Glendenin造出了元素61。他们通过铀的裂变和用用来自反应堆中裂变铀的中子轰击钕获得这一元素。他们在附近的热实验室和化学楼里工作,利用离子交换色层法,首次从化学上鉴定了元素61的两个同位素。

Marinsky和Glendenin在1947年的美国化学学会会议上宣布了他们在化学上证明元素61的存在。1948年,他们在马省理工学院工作时建议将元素61“钷”命名为普罗米修斯(希腊神话中的巨人,相传因盗取天火给人类触怒主神宙斯,被锁在高加索山崖遭受神鹰折磨)。这一想法来自Coryell的妻子Grace Mary。1949年这一名称被国际化学化学联合会所接受。

钷是在地球地壳中没有发现发射β的放射性金属,在仙女座中一个星的光谱里看到了它。钷147用于导弹中的仪器核动力电池。

3、核同位素—化干戈为玉帛

二次大战期间,橡树岭Y-12厂被用来电磁分离两个铀同位素,产生曼哈顿工程用的武器等级的材料。大战结束后,除了一个电磁型同位素分离器大厅外,其他所有的大厅均转为它用。剩余的设施转给ORNL,生产许多用于和平目的的同位素。

ORNL利用电磁型同位素分离器为无数应用生产了成千上万的稳定同位素;许多这些浓缩同位素是制备放射性同位素的开始材料。有些电磁型同位素分离器被用来生产高浓缩铀、钍、镅和锔的同位素。从稳定的电磁型同位素分离器浓缩的同位素所产生的放射性医用同位素,包括用于治疗前列腺癌的钯103、心脏成像用的铊201、治疗癌症和手术后心瓣再狭窄用的铼、肿瘤成像用的镓67和缓解转移性骨痛的锶89。非医用产品包括用于电子学和探测爆炸物的镍63以及用于地球定位和蜂窝式电话系统用的原子钟的镓87。1998年以来,电磁型同位素分离器一直处于备用状态直到需要为止。Russ Knapp领导开发了铼188生成器。在这种生成器里,钨188衰变为铼188。它被用来治疗心脏病人的心脏狭窄和癌症引起的疼痛。

56年来,ORNL利用自己的反应堆已经生产了放射性同位素。生物化学家Waldo Cohn将离子交换法运用在石墨反应堆上对裂变产品的分离,组织放射性同位素的生产和在美国的销售,包括将放射性同位素从反应堆送到医院。

后来的ORNL反应堆提供了用于农业、工业和医学的放射性同位素。高通亮同位素反应堆是几种用于癌症治疗、非损伤实验和爆炸物探测放射性同位素的主要提供者。高通亮同位素反应堆生产的一种重要的放射性同位素是锎252,一种被用来发现飞机部件微小裂缝的出色中子源。对5500名病人的临床研究表明,锎252在治疗子宫颈肿瘤和头、颈和口腔癌方面非常有效。

4、核医学—疾病的诊断和治疗

将ORNL产生的放射性同位素转变为可恢复人体健康的试剂是ORNL核医学研究人员长期以来的奋斗目标。20世纪七十年代中叶以来,在Russ Knapp的领导下,他们开发出用于医学扫描诊断心脏病的放射性成像试剂。该试剂已经在全世界350000病人研究中经过了试验,现在,在日本和俄罗斯进行工业化生产,并用于治疗无数的心脏病患者。ORNL试剂是用放射性碘做标记的脂肪酸,可用来探测心脏病发作后心肌有多少还活着,预测搭桥手术或气球状的血管成型术是否会恢复所有血液流通。

1993年,ORNL小组开发出钨188/铼188同位素生成器,在ORNL试验放射性试剂,并确定了在美国和国外的临床试验。试验表明铼188(从钨188衰变而成)可缓解癌症诱发的骨和肝痛以及关节炎患者的发炎,还可防止气球状的血管成型术后冠状动脉中滑肌细胞的形成(心瓣再狭窄),减少重复气球状血管成型术的需要。

因为ORNL放射性同位素供给系统提供低费用治疗,所以它被用来治疗发展中国家、德国和美国病人的手术后心瓣再狭窄和癌症诱发的疼痛。

ORNL的Saed Mirzadeh和他的同事们所开发出来的放射性同位素生成器为白血病患者正在提供成功的治疗。ORNL存有铀233。该同位素衰变形成锕,在ORNL生成器里送到世界上的研究场所。在纪念Sloan-Kettering癌症中心,将用从锕225衰变获得的铋213做标记的抗体注入患有急性髓细胞白血病的患者。铋同位素破坏造成患者病危的血细胞。

5、核燃料—开发新工艺

第二次世界大战期间,橡树岭的石墨反应堆是作为一个试验工厂为展示钚的产生而运行的。ORNL的研究人员开发出从用过的铀燃料和裂变产品中分离钚的化学工艺。他们利用沉淀从溶解在硝酸中用过的燃料中提取钚,设计和应用工艺。

后来,John Swartout和Frank Steahly的研究对再处理产生深刻影响。他们喜欢ORNL正在开发的更为有效的溶剂提取技术。这种技术利用硝酸和溶于有机液体中的三丁基磷酸盐提取铀和钚,并将它们从裂变产品中分离出来。这一技术成为Purex(钚/铀提取)工艺,现在在世界上仍被用来从用过的燃料反应堆燃料回收铀和钚。

在随后的几十年里,以Floyd Culler, Frank Bruce, Raymond Wymer, William Unger和其他人为首的研究小组利用Purex工艺,在设计和试验核燃料再处理工厂方面确定了步伐。他们的设计成为建在Idaho Falls, Hanford, Savannah Rive和世界其他各地大型再处理工厂的基础。

20世纪七十年代和八十年代末,ORNL通过开发更有效的用于溶解用过的燃料和控制有害气体排放量的设备和执行溶液提取操作,ORNL提高了核燃料再处理技术。虽然从未建造Clinch River增殖反应堆回收钚的ORNL计划在八十年代取消,但它的许多先进技术被用于欧洲和日本。

ORNL开发的工艺在世界上被用来从产生电的矿石中提取铀。五十年代和六十年代,由Keith Brown领导的一个小组开发出从矿石提取回收铀的方法。八十年代初,Fred Hurst发明了一种从磷酸提取铀的方法。这些技术是回收铀用于核电厂的标准方法。

6、核燃料—核工业的新设计

上个世纪四十年代末,由Eugene Wigner领导的ORNL小组设计了水冷却释热元件,确保材料试验反应堆产生足够高的中子浓缩度,以便确定哪些支撑最好的材料可用于未来反应堆。该组设计的铀释热元件放在铝板之间,外面由铍包围,将中子反射回到堆芯。Wigner最有名的发明是将铝板弯曲,所以在非常热的情况下,它们只向一个方向弯曲,防止水冷却液流量的压缩,这决定着中子的流强。这个设计是美国研究反应堆和潜水艇堆芯的模型。

1958年,英国采用早期气体冷却设计生产了工业核电。ORNL对高温气体冷却反应堆有更大兴趣,它的研究人员们集中于制造反应堆中用氦冷却,用石墨减速,可在高温时工作的燃料。他们组成成千上万的二氧化铀或铀碳化物,外涂一层碳的球型颗粒,以保留裂变产物,并将燃料头嵌入石墨结构里。利用橡树岭研究反应堆,Don Trauger的小组证明辐照后这一燃料是稳定的,不像铀碳化物颗粒在石墨反应堆里散开的设计。ORNL这个小组的发现使德国人转向在他们的高温气体冷却反应堆中采用涂有颗粒的燃料。这一设计的改进版本被用于两个美国的工业高温气体冷却反应堆和德国、日本以及中国的试验反应堆。

ORNL的研究人员现正在帮助研发用于先进高温气体冷却反应堆概念的抗熔化燃料块。

7、核燃料—国际软件

SCALE是一个易于使用用来确定核装置的设计和传输或存储数据包是否符合核安全标准的计算机软件系统。ORNL开发的系统在世界范围里被用来回答核安全问题。例如:装有用完的核燃料的储存罐足以屏蔽,防止雇员达到有害辐射水平吗?罐的设计,在平板卡车或火车车厢里罐的摆放,会防止涉及不受控制地释放能量和辐射的临界事故吗?

1980年,当公布了特许评估标准化计算机分析代码系统以后,它便被用来评估罐中传输核材料的安全。从那时起,SCALE便应用到有关一些核设施以及裂变和放射性物质的容器的临界安全和辐射屏蔽问题。

SCALE包括著名的计算机代码,如ORNL1966年开发的用于临界安全评估的KENO蒙特卡洛代码。由Dixon Callihan和Joe Thomas领导的ORNL关键实验的实验室提供了基准数据,据此可以检查计算机代码计算。继续增强重要的码和另外进行验证。

SCALE被用来确保1979年三里岛核电厂事故中燃料部分熔化后恢复工作中的临界安全。除南极洲外,地球上的每个洲都使用SCALE。ORNL的研究人员为美国、欧洲、日本和拉丁美洲的用户进行SCLAE培训。用户包括美国能源部、核管会(两者支持SCALE的开发),以及罐设计者、燃料生产者、反应堆燃料销售者和核电厂公司。SCALE 5于2003年公布,将继续为核-燃料-周期安全分析提供最先进的计算工具。

8、核安全—了解挑战

ORNL在无数方面对核安全起作用。它培养了900多位反应堆设计和安全操作方面的工程师。实验室出版了核安全杂志已有30多年。60年代以来,ORNL已经对核临界安全具有了重要影响 — 利用工业控制防止产生在铀或钚的处理、储存和运输中发生意外不能控制的链式反应的潜在后果。ORNL的研究人员提供几个临界安全标准和管理批准这个指导原则的国际小组。

六十年代末,由Grady Whitman领导的ORNL研究人员开始研究暴露在高温和辐射造成脆化情况下,反应堆压力容器的钢壁在反应堆操作时是否可承受水的压力而不破裂。ORNL进行了30多年的热冲击、断裂力学和辐射造成脆裂方面的实验后,已成为世界上产生提供特许和运行轻水反应堆压力容器基础的数据方面的领导者。

ORNL的研究表明,锆合金燃料包层在模拟事故条件下变脆,这个结果导致制定限制轻水反应堆功率水平的新规定。在美国国家安全听证会上由ORNL的专家所报告的结果,导致对降低紧急冷却水丢失后反应堆堆芯过热的可能性提出严格要求。ORNL的裂变-产物-释放的研究为安全条例提供了基础。

1979年三里岛核电厂发生冷却液损失事故后,ORNL的研究人员协助核管会查明事故的原因和后果,发现释放出来的放射性气体比预计得少。事故发生后,ORNL和核管会的工作人员开发了序列编码和搜寻系统,捕获包括在数据库中的有关核电厂操作方面的信息。该系统已经用于无数的安全研究、条例制定和风险评估。

ORNL的研究人员为核管会开发出事故模型,该模型能够改进先进的沸水反应堆设计。他们还帮助确立了核工厂中数字仪器和控制系统的管理原则。

9、核脱盐—渴望解决方案

联合国估计全世界有11亿人口,几乎6个人中就有1人喝不到安全的饮用水。一种解决的方案是从海洋里取水并把盐除掉。

1963年,ORNL的Philip Hammond提出利用大型核电厂多余的热将海水脱盐可以便宜地获得淡水的设想。ORNL所长Alvin Weinberg — 时任肯尼迪总统科学顾问委员会成员 — 将提供能源和“沙漠变绿洲”的这一方法向美国原子能委员会和内务部的官员作了说明,并为ORNL争取到了项目经费。

在1964年日内瓦召开的和平利用原子能联合国大会上,对Hammond设想的特点作了说明。他的设想得到约翰逊总统1965年“水为和平”计划的支持和国际原子能机构的赞同。

ORNL的研究人员在两方面对脱盐技术做出了贡献。Hammond小组改进了蒸馏技术,利用核工厂的热把盐更有效地从海水中分离出来。该组开发了多级急骤蒸馏法增强热传输面和工艺,设计了比现有样机效率高4倍的铝垂直管蒸发器。

Kurt Kraus小组提高了反向渗透(RO)效率,并将其改为适用于脱盐。在反向渗透中,通过强迫含有盐的水经过一种防止盐通过的半渗透膜产生纯净水。

反向渗透几乎用于当今一半的脱盐工厂。脱盐的热源是油或气体,印度Kalpakkam处的一个新厂除外,它与一对现有的反应堆连在一起。最少有3个国家正在开发脱盐反应堆,这意味着核脱盐可能成为重要的淡水源。

10、核不扩散—降低核威胁

苏联解体后,它的加盟共和国拥有近1300公吨具有各种不同安全等级的可用于武器的核材料。美国担心贫穷失业的武器研究人员可能会将材料转移给恐怖分子或无赖国家。对此,美国能源部制定了核不扩散计划。这些计划资助ORNL小组做了以下工作:

·帮助80座俄罗斯的设施保证用于武器的核材料的安全,改进安全措施和安全以及改进材料的核算系统;

·帮助俄罗斯国防部改进武器系统的安全,与美国国防部一道监督拆除俄罗斯武器的运载系统;

·协助俄罗斯海关官员探测向国外走私的任何核材料,向他们提供辐射检测设备和培训;

·开发技术,以此验证从拆除武器中得到的高浓缩铀已经混合在俄联邦设施里,产生用于工业电站低浓缩铀;

· 1994年帮助确保600公斤的高浓缩铀从哈萨克安全装载和安全运到橡树岭Y-2国家安全实验室。后来,有几百公斤在ORNL的帮助下从乔治亚共和国转送到英国的一个处理设施。2002年,ORNL组与美国核安全局、国务院和国际原子能委员会的专家们一道从南斯拉夫反应堆上安全拆除50公斤的高浓缩铀。这些材料被运到俄罗斯转为反应堆级燃料。

为减少美国和俄罗斯反应堆产生的多余的武器级的钚,ORNL管理多处为轻水反应堆生产、辐照和试验基于钚的混合氧化物燃料的工作。ORNL管理和与俄罗斯从事开发生产俄罗斯反应堆所用混合氧化物燃料需要的技术。

通过将原苏联的武器研究人员固有的技术商品化和重新产业化的努力,ORNL正为他们创造有意义的工作。

11、中子散射—变化的仪器

1994年,率先在橡树岭石墨反应堆上采用中子散射开展材料研究的Clifford Shull分享了诺贝尔物理奖。Shull和他的导师Ernest Wollan利用中子散射确定晶体中原子在哪里。中子散射在世界上被用于研究材料的结构和动力学,开发出强力塑料、小电机中看到的改进的磁性材料、信用卡、计算机磁盘和CD盘。1945后期,用X射线散射研究固体和气体的Wollan考虑用石墨反应堆的中子研究散射。他通过让反应堆中子经过晶体产生了一个单波长中子束流,并用谱仪测量与中的原子核相互作用所发生的中子散射的角度和能量。这一信息帮助揭示物质的结构。

一年后,Shull和Wollan获得了氯化钠晶体和多晶氧化锰第一个中子衍射图形。他们还拍了第一张中子射线照片,确定如何将散射的中子的流强与靶物质的结构相关连并准确地判明氢化钠和氘化纳中轻的原子的位置。

1951年,Shull给出氧化锰晶体的磁结构,结构导致发现反铁磁性(磁性材料的一些原子向上指,一些向下指)。因为中子是极小的磁铁,所以它们与磁性材料的原子的相互作用为记录和计算机产业提供重要的数据。

50年代晚期和六十年代初期,Ralph Moon、Wallace Koehler、Mike Wilkinson和其他人在橡树岭研究反应堆上对稀土的磁结构和特性开展了中子散射研究。Henri Levy、Selmer Peterson、Bill Busing和George Brown率先开展了单晶体中子散射研究,揭示了糖和其他晶体的结构。

1965年,新的高通亮同位素反应堆(HFIR)开始为中子散射研究提供更高的流强,可以用三重轴谱仪对物质的激发态进行研究。该反应堆有15台新的中子散射仪器,在慢中子束线上增加一个冷中子源,使它们成为聚合物和蛋白质的出色探测器。Wilkinson 和Herb Mook利用HFIR从氦-4原子核散射出中子,研究氦-4的原子冷却到接近绝对0度时氦-4中Bose-Einstein凝聚作用的存在。

利用三重轴谱仪,Bob Nicklow和Harold Smith研究了超导晶体碳化钽,发现支持低温超导理论的证据。七十年代,Mook和他的同事们证实在稀土铑硼化物中超导和磁性共存。

小角度中子散射研究始于HFIR,在那里Koehler成立了国家小角度散射研究中心。高温超导氧化物于1986年被发现,所以HFIR被用来帮助确定新材料的结构,因为中子可以比X射线更好地确定轻的氢原子的位置。三重轴测量还阐明了激发的磁性和晶格态,帮助理论家们解释高温超导。

由George Wignall领导的小角度散射实验在整个九十年代与北卡罗来纳合作,检验利用超临界一氧化碳作为有机溶剂代替传统使用的氟氯碳(据信它减少保护我们的臭氧层)可以产生聚合物的方法。

剩余应力的测量也在HFIR开始进行。一项研究集中在造纸厂锅炉外包钢合金可能断裂,导致爆炸。测量确定采用一种新的钢合金将会避免这一问题。

1999年12月,基于加速器的散裂中子源SNS破土动工;其中参加破土动工仪式的有副总统Al Gore。2006年竣工的SNS会继续进行ORNL传统的世界水平的中子散射研究

12、半导体—打造数字的未来

过去40年间,ORNL的研究人员提供了重要的信息和技术,产生了半导体产业,提高了该产业的经济意义。

1962年,Ordean Oen和Mark Robinson在开展晶体材料中辐射损伤理论研究的同时,进行揭示离子沟道影响与固体中长排的原子平行的原子的长距离运动的计算机模拟。这一工作和Bill Appleton、Charles Moak、Sheldon Datz、Herb Krause和其他人所做的高能离子沟道实验能够了解沟道现象,帮助工业界生产具有正确特性的植入离子的半导体材料。

六十年代,John Cleland和ORNL其他的科学家利用整体屏蔽反应堆开发了一种用于硅中均匀分布磷离子的中子变性搀杂(NTD)法。每年在世界范围内生产100吨用于电子学元件的中子变性搀杂硅。

通过将基于离子植入搀杂和激光退火结合在一起,Rosa Young、C.W. White和Greg Clarke将硼离子引入硅晶体的近面,并将它们结合进电活性区,同时弥补硅晶格中的损伤。这一工作为开发广泛用于半导体工业快速热退火工艺提供了基础。

1998年,Ken Tobin和他的同事们搞了两个获奖软件工具。这两个软件工具帮助公司迅速找出造成半导体圆片缺陷的加工问题,因此,降低缺陷的产生,提高产品产量和降低成本。这些工具已经准许应用材料公司(Applied Materials)、IBM、Motorola、得克萨斯仪器公司(Texas Instruments)和其他20家公司使用。

ORNL转让给nLine公司的获奖的直接数字全息照相术工艺,迅速发现圆片中的深埋触点和沟道中有缺陷。Tony Moore和他的同事们发明了一种以传感器为基础的系统,用以控制产生腐刻圆片电路结构等离子体的高频功率。采用ORNL的系统被工业部门节约了上千万美金。

13、半导体—传输电力

由于有了高温超导线和电缆,未来的电网将比现在的电网更加有效。ORNL的研究人员与工业伙伴合作,利用1986年发现的现象所开发的高温超导线的电阻比铜线的电阻小得多。与相当的技术比较,使用这样的线的设备占用空间较小,运行费用较低,耗能较少。美国电网中超导电缆导电是同样大小尺寸铜线的5倍。因为高温超导电缆以热量形式损失很少的能量,所以电传输的损耗减少一半,从8%降低到4%。

采用ORNL1995年开发出来的滚动协助双轴结构衬底(RABiTS™)技术,美国的超导生产出空前长10米的镍钨带,镍钨带上附有超导氧化物和缓冲层,它们与合金结构排列成行。这些带子每厘米的宽度承载100安培的电流,超过能源部2003年的目标。3M和其他3家公司谋求将ORNL这一获奖技术商品化。RABiTS™导线在本10年晚些时候可以买到,用于地下传输电缆、马达、变压器和磁铁。

ORNL的研究人员帮助Southwire公司开发它在Georgia的Carrollton的设施所用的30米长的高温超导电缆。该种电缆由铋-锶-钙-铜氧化物组成,系第一代由液氮激冷的导线,已经运行了16000小时以上。RABiTS™导线将用于第二代Southwire公司的电缆。

ORNL的研究人员还开发出创新性的低温系统,用来激冷Waukesha电力系统和IGC-Superpower公司建造的超导变压器。Waukesha的变压器像通常变压器一样不用易燃油,已经在实验室进行了试验。

14、离子植入材料—实在的人造关节

在ORNL,通过纯理论手段出色地发现离子沟道,最后导致制定基于加速器的计划将离子引入材料。研究人员发现离子植入能够改进许多材料的表面,包括用于制造人造髋关节和膝盖的合金。ORNL的Jim Williams与Ray Buchanan合作进行了研究,然后在阿拉巴马大学和现在在田纳西大学进行研究。他们在1980年发现用氮离子植入人造关节中使用的钛合金使合金变硬,并大大提高它的耐磨性和抗腐蚀性。研究人员发现离子植入能改进外科植入人造关节使用的钛和钴铬合金,但涉及不同的机制。技术使钛合金的表面硬化,但不会被合金自己的氧化涂层(降低表面化学活性)擦伤。对钴铬合金来说,离子植入改进它的吸湿度,这样使人造关节滑动起来就更容易,并使表面的硬度更均匀。因此,合金与其搭配使用的聚合物组件工作时会配合得更好,从而延长它的寿命。九十年代早期,美国食品与药物管理局提出指导原则,要求所有新提交的钛矫形设备均应离子植入。

矫形材料的离子植入在工业上首先被Spire公司,然后被植入科学公司(Implant Sciences Corporation)采用。每年卖给矫形厂家进行表面全部处理的设备共有几十万台,价值达近1000万美元。Williams估计累计进行表面处理而销售的设备量价值超过1亿美元。然而,更重要的效益在于使用离子植入人造髋关节、膝盖和其他关节的许多美国人生活得到改善,舒适程度提高。

15、环境影响分析—寻找平衡

联邦政府资助或批准的设施在建造前,必须认真检查工程的效果。在环境影响说明中,必须权衡它们的造价和效益。自1971年以来,为核电厂曾准备过这样的环境影响说明。ORNL和其他三个国家实验室的研究人员涉及一个应急计划,为90个运行核电厂和那些建设中的核电厂或正在设计中的核电厂起草环境影响说明。七十年代,ORNL还涉及决定是否为提出的电厂建造冷却塔,以保护哈德逊河的有条纹鲈鱼。ORNL的工程师们开发出的一种电子标记,它通过手术植入雨中。该标记发射出超声波信号,用于观测三文鱼靠近水电大坝时的变化 — 这一信息有助于鱼安全通大坝的上游和下游。

在七十年代和之后出现许多问题。鱼通过电厂的冷却系统或暴露在核设施释放的热水里数量会下降吗?核电厂在正常运行期间工人和公众会受多少辐射?地热、太阳、化石、合成燃料、生物量-转换和水电项目的环境和社会经济的影响是什么?为应对这些和其他问题,以ORNL的Ed Struxness、Bill Fulkerson、Tom Row和Johnnie Cannon为首的环境影响说明起草小组进行了大量的研究。

为评价通过进料滤网对鱼的影响,ORNL的研究人员在Larry Barnthouse, Sig Christensen和Webb Van Winkle的领导下,开发出计算机模型。Chuck Coutant领导的研究人员开发了测量鱼喜欢的水温的方法,推动了电厂工程控制的开发,减少了对附近的鱼数量的损害。

ORNL的研究人员在为水电厂开发鱼保护设备、检查电厂建造和运行的社会经济和文化影响以及预测从南极洲的研究设施到国会批准的内华达Yucca山永久性的高水平核废料存放地的运行的风险和效益在美国居领先地位。

16、环境质量—种下科学的种子

来自工业设施的放射性和有害物质对构成生态系统的动植物有什么影响?生态系统与地球大气如何发生相互作用?ORNL的研究人员帮助回答了这些和其他50多年来的其他问题,开创了生态研究的新领域。

五十年代,ORNL的研究人员率先利用放射性核素作为生态系统中元素自然运动的示踪元素,包括森林的营养素和污染物。Stan Auerbach、Dan Nelson、Jerry Olson和其他人所做的工作导致放射性生态学领域的发展。

Olson、Bob O'Neill和其他人率先开发出计算机模型,以期了解生态系统结构和功能以及森林生态系统中元素、营养素和污染物的运动,从而产生了系统生态学。

1958年,ORNL的科学家确定与无数联邦政府和州政府部门重点开展克林奇河(Clinch River)的研究 — 1947年首次定期取样,因为它靠近ORNL。这是多部门为评价从一个主要核设施释放具有潜在的长期放射性核素有害物质首次作出的努力。

六十年代早期,利用福特基金会的基金,ORNL的研究人员开发出先进的数学和计算机方法了解地球生态系统中的变化。他们用铯137在森林伐剩的一棵树木上做标记 — 率先大规模利用放射性废物质 — 提供新计算机模型用的数据,显示大气武器试验的放射性微粒对地表有长期污染的恶果。

1967年,ORNL因其贡献被美国国家科学基金会选中,领导国际生物计划下的美国生态系统主要研究计划,并为其提供经费支持。这个涉及世界上几百名科学家和研究生的数百万美元的工作,取得了地球碳周期中生物系统作用方面有价值的信息。

同年,Walker Branch Watershed研究设施首次用来研究水中和陆地、然后是污染物杂大气沉积中的神态系统过程。1975年,Steve Lindberg确定沉积在森林的40-70%的硫酸和硝酸是作为干的颗粒而不是雨降下的。

ORNL然后开始研究由煤转化为液体和气体“合成燃料”产生的化合物的生物效应。1980年,发现暴露在合成燃料化合物下的蟋蟀的蛋生出多一支眼或头的昆虫。因为这些研究,Barbara Walton、Glenn Suter和Larry Barnthouse帮助发展了生态风险评估领域和后来被美国环保局采用的生态风险评估框架。

到了八十年代,在开发和利用生态系统的计算机模型,包括预言森林和鱼数量的生态和演变变化的Michael Huston、Don DeAngelis和Mac Post的“以个人为基础的模型”方面,ORNL成为公认的领先者。在九十年代,O'Neill、Virginia Dale和其他人对发展地表生态学领域(例如,火和火山爆发效应的研究)做出了贡献。

到1990年,ORNL的Sandy McLaughlin、Dale Johnson、Lindberg和其他人完成对国家酸沉淀评估计划10年的研究支持。这一工作导致对工业释放硫和氮氧化物的限制。1994年,ORNL确定开展世界上最大的全球森林变化实验。该实验显示潜在产生于气候变化的干旱和非同寻常的潮湿条件的效应。

1998年,ORNL开始运行大气二氧化碳浓缩装置(Free Air Carbon Dioxide Enrichment facility),评估胶皮糖香树种植园上增加的大气二氧化碳的效应。早期发现显示种植园的树比正常大气中的树长得快。

由Ralph Turner领导的ORNL水银研究结果,能更快和用较低的费用清除本世纪中期氢弹工程污染的橡树岭土地土壤中的水银。Lindberg和其他人关于大气水银的研究结论被环保局用于向国会所做的报告中,导致联邦政府建议对内燃源释放的水银进行控制。

17、空间探索—最后的前沿科学

2002年8月20日,美国国家宇航局庆祝旅行者2号宇宙探测器通过太阳系旅程25周年 — 可能是人类探索宇宙最伟大的功绩。旅行者2号向地球发回令人注目的木星、土星、天王星和海王星地形、环和卫星的照片。旅行者2号现在距太阳足足超过60亿英里远,上面载有ORNL制造的材料。

1975年,由C.T.Liu领导的ORNL研究人员开发出1977年发射的旅行者1和2号宇宙飞船中包覆钚238氧化物燃料球面所需要的。放射性燃料被用来为宇宙探测实验和通讯设备电源。铱合金包覆防止在不可能的事件中燃料泄漏,进入环境。不可能的事件指宇宙飞船偶然重新进入地球大气层,经受灼热和撞击地球表面。

纯铱的熔点很高,高温时有出色的抗氧化能力,但太弱和易碎,经受不住最大的影响。ORNL的研究人员发现,添加适当水平的合金剂(例如钍)给出使铱合金经受最大可信事故影响力的额外延伸度。

旅行者1和2号上搭载的另一种材料是绝缘材料。它由连在一起的碳纤维物质组成,用来在选择的温度范围内维护燃料。现仍在生产的两种ORNL材料还搭载沿木星轨道运行的NASA伽里略探测器和2004年7月飞往土星轨道的Cassini宇宙飞船。

ORNL的研究人员还帮助设计飞往月球的宇航员的辐射屏蔽、收集月球岩石的铲子和地球上盛它们的箱子。下一个工程是为飞往火星宇宙飞船上可能使用的核反应堆设计功率转换系统。

18、石墨和碳产品—从导弹到纳斯卡(NASCAR)

石墨反应堆的名称承认石墨需要有的特性。这种形式的结晶碳被选为橡树岭的第一台反应堆和Hanford钚产生反应堆的减速器。石墨不仅将铀裂变中产生的中子减速到足以使钚形成,而且还在高温时变得更强,并抗辐射损伤。

四十年代,Eugene Wigner正确地预言:中子辐照石墨将引起它的膨胀。对“Wigner病”的关心帮助ORNL推动了材料研究。

通过控制石墨晶体颗粒的晶向,ORNL的Walt Eatherly、Ray Kennedy和Fred Jeffers开发出得奖的GraphNOL。GraphNOL八十年代实现产业化。这种石墨抗辐射损伤,耐极端热冲击和应力,用于导弹前锥体。

该研究的宗旨是选择当作ORNL设计的高温气体冷却反应堆减速剂的石墨。今天,ORNL的研究人员正在为核管会评价石墨的特性和标准,作为先进气体冷却反应堆计划的一部分。

六十年代,由John Googin领导的ORNL研究人员开发出第一个生产碳泡沫的方法。碳泡沫被用来作为高温锅炉的绝缘。ORNL开发出碳粘合碳纤维绝缘,用于卫星和宇宙探测器上的热源。

九十年代,Ted Besmann和其他人开发出碳复合材料二极板,用来制造重量较轻寿命较长的汽车油箱。生产碳复合材料的技术已转让给了Porvair有限公司。该公司正在安装试验设备,准备为一家主要的油箱开发商生产碳复合材料板。

Tim Burchell和James Klett开发出一种工艺。这种工艺已经商业化,用来制造碳-碳制动盘。这种制动盘给飞机更好的制动力。1988年,Klett生产出传热非同寻常好的石墨。这一特许的技术用于车辆、电子学和国土安全。

19、先进材料—工业用的合金

材料合成ORNL第一个开发的商业化的合金是耐盐酸镍基合金-N,先由国际镍公司出售,现在由Haynes International公司销售。这个镍-钼-铜-铁合金是由Hank Inouye和其他人开发的,含有ORNL开发的熔盐反应堆使用的燃料。该种合金抗老化、抗断裂和抗暴露在热的含氟化物的盐引起的腐蚀。

另一个商业化的合金,即改进的铬钼钢是由ORNL的Vinod Sikka和其他人与内燃工程部合作为国家增殖反应堆计划而开发的。20年来,该种合金已由法国、德国、日本和美国的公司生产,销售总额超过4亿美元。

该合金具有出色的高温机械性能,在正常工作条件下,不易腐蚀或变形。它主要由铁构成,重量上9%为铬,1%为钼,加上几种稀有元素。它用于生产电的设备锅炉和制造无铅汽油的油提炼锅炉。

为增殖工程开发的另一种合金是奥氏体不锈钢,它暴露在高温和快中子时不膨胀、不脆裂(如ORNL的Jim Weir所释)。利用微结构控制技术,通过掺杂硅和钛,Jim Stiegler、Everett Bloom和Arthur Rowcliffe开发了一种低膨胀不锈钢合金。该种合金已经用作日本和法国增殖反应堆的燃料包层。

ORNL的C. T. Liu和其他人开发了改进的镍铝化物合金,现在用来替换Bethlehem Steel公司的钢滚筒(将钢板送入炉内)和用于为Delphi汽车系统公司制造用来对汽车球型轴承、齿轮和阀门表面进行加热和硬化的盘。

焊接 ORNL在材料连接方面名扬海外,已经生产出计算机模型,帮助美国工业界解决了不锈钢和镍铝化物合金的焊接问题。ORNL的研究人员开发了一种试验,用以评估广泛用于美国全国的焊接-破裂敏感性和铜焊技术。实验室的模型正引导工业部门用焊接修理用于发电的陆基燃气涡轮机中以镍为基础的合金、单晶涡轮机叶片。为帮助确保敏感核技术的安全,Stan David和John Vitek领导的研究人员与原乌克兰的武器研究人员一起开发涡轮机发动机部件的修理-焊接技术。

材料表征同时开发分析电子显微镜和渗透显微镜使ORNL设计低膨胀不锈钢成为可能。分析电子显微镜和渗透显微镜,以及经过改进ORNL使用的三维原子-探测-场显微技术,对彻底了解钢的微结构和它生产过程中在钢中形成的微观沉淀物的组成成为可能。ORNL的冶金学家们为设计钢的微结构和获得所需要的特性而改变钢的组成。

六十年代以来,ORNL的研究人员开发了光学仪器,极大地提高了用于分析材料结构的X射线的亮度和强度。Cullie Sparks的石墨单色仪在世界范围内用于X射线和中子。八十年代,Sparks和Gene Ice利用完美的弯晶在同步源上进行研究,发明了一种X射线聚焦方法。他们采用的精确的晶体弯转方法聚焦辐射的能力比另一个可供选择的光学仪器高20倍。现用于世界上多数复杂的X射线装置。2001年,Ice和Ben Larson开发了一台X射线显微镜,能够研究在三维空间里具有亚微米分辨率的晶体颗粒结构。

九十年代,Steve Pennycook和其他人在ORNL开发的晶体Z向对比成像可使科学家们利用扫描透射电子显微镜看到从半导体到汽车催化剂的材料中的原子排列。这一技术取得了晶体有史以来最高分辨率的图像。该技术现在用于商业生产的显微镜并在世界范围内使用。

20、先进材料—工具、涡轮机和柴油发动机

许多发明在10到15年里从实验室到工厂都不会取得成功,但ORNL的一种陶瓷发现后3年成为商业产品。这个名人遗物收藏馆的陶瓷是铝氧化物和从普通米壳制造的微观硅炭化物SiC晶须的复合材料。

从1981-82年,ORNL的George Wei、Terry Tiegs和Paul Becher发现了这个材料,它强度高,不易断裂。到1985年,生产专利复合材料的技术被先进复合材料公司(Advanced Composite Materials Corporation)和绿叶公司(Greenleaf Corporation)用于生产工业用的切削工具。用SiC强化的氧化铝切削工具可加工喷气式发动机部件,其速度比竞争材料制造的工具快10倍。这些工具在美国的销售量超过2000万美元。瑞典的公司Sandvik在世界范围内销售这种切削工具。

最后发现,如果吸入SiC会有害健康,但ORNL的晶须强化概念是开发改进硅氮化物的关键。在改进的硅氮化物里,材料烧结时种子晶体在材料内部生长,使其更坚固。通过重工业的投资,ORNL和美国宇航局的研究生产出一种强的抗断裂的硅氮化物,开发出制造这一陶瓷的工艺,并提出使用硅氮化物部件的涡轮机的设计。其结果在小的燃气式涡轮机的性能、排放物和耐用方面有很大改进。

在Ray Johnson的领导下,ORNL的研究人员Vic Tennery、Matt Ferber和Ken Liu试验和表征了不同供货商几年来提供的硅氮化物样品,以确定高温时它们的抗快断裂性、抗疲劳性和抗潜变性。为此工作,它们利用了高温材料实验室的复杂设备。ORNL对陶瓷生产厂家的反馈帮助它们极大地改进了的特性,所以在各种条件下,它都不会出现问题。

这一更坚固的硅氮化物 — 原来是为美国能源部工业计划开发的,该计划是要设计先进的燃气式涡轮机为汽车提供动力 — 现用于商业上生产飞机和柴油卡车的部件。

Honeywell发现硅氮化物在经历了机场的灰尘和沙粒之后,比为空调、电子学和停放在飞机舱门的某些非主要服务设备的辅助电源装置中的金属部件寿命长。1992年以来,使用硅氮化物部件的辅助电源装置一直在波音和空中客车上飞行。1996以来,Honeywell和Kyocera已经生产出耐用的硅氮化物油密封垫,这种密封垫能更有效地防止小型商务喷气飞机中燃料泵的泄漏。这些密封垫已安装在7000架喷气发动机上,其飞行时间累计已大600万小时。

为产生稳定功率,下一代高效低排放的微型涡轮机和较大的燃气式涡轮机中将采用硅氮化物部件。现在的金属微型涡轮机运行效率约为25%;采用可进行热运行的陶瓷应该使效率提高到35%或40%。利用ORNL的Mark Janney 和Omats Omatete开发的加工大的复杂形状部件的凝胶浇注工艺,Honeywell正为一家微型涡轮机生产厂家制造陶瓷轮样机。

改进的硅氮化物还用于帮助降低高速公路上卡车大柴油发动机的尾气排放。为达到环保局的标准,柴油燃料注入系统必须在高压时运行以降低排放。因为凸轮-滚轴随动件是造成燃料高压的机械链的一部分,所以它们必须经受高的应力。Ceradyne公司生产的硅氮化物被用来为底特律柴油公司制造凸轮-滚轴随动件。Ceradyne公司已经销售了300万柴油卡车用的部件。

ORNL帮助改进的另一种陶瓷是CoorsTEC制造并销售给Cummins发动机公司用于柴油卡车的转化-加固氧化锆(TTZ)。Cummins公司在生产无数用于其高压燃料注入器的TTZ珐兰过程中实际上没有经历过任何问题。

21、生物技术—用细菌清除

ORNL生物技术一个早期的例子是1972年由Chet Francis所做的展示:花园土壤中的细菌能够去掉工业废水中的硝酸盐和稀有元素。ORNL在俄亥俄州的Portsmouth铀浓缩厂建了一座试验生物反应堆处理硝酸盐废物。橡树岭Y-12国家安全整套装置为处理硝酸废物的一座工厂采用了Francis的设计。在这些场地利用重组体和自然细菌处理地下废物的生物治疗在继续进行。

在1997年进行的lysimeter实验中,ORNL采用了基因工程微生物来探测土壤污染物;美国政府部门首次批准它在能源部的一个场地有控制地向环境释放。

六十年代,Howard Adler和他的助手们研究辐射对大肠杆菌的影响。一些被辐射损伤的细菌死亡,神秘的是除非它们生长在有其他细菌的情况下。最终的解释是含有来自那些其他细菌薄膜部分的酶,它把氧从介质中去掉,使得受损伤的大肠杆菌得以复原。

Adler和Jim Copeland开发出一项提取和冷藏这些薄膜碎片,和利用它们去掉来自支持厌氧微生物(在氧中死亡)液体介质的氧的技术。他们的技术有助于早发现由厌氧微生物和生产像丁醇之类的化学品引起的疾病,如破伤风和坏疽。1987年,他们成立了Oxyrase公司,继续向北美、南美、亚洲和欧洲的医院病理学和研究实验室销售诊断介质。

利用在生产除冰剂、食品添加剂、溶剂和最后是塑料中需要的将普通糖转化为琥珀酸的一种新的微生物,ORNL和美国能源部其他的国家实验室与应用碳-化学制品公司(Applied Carbo-Chemicals)一起开发了一种发酵工艺。ORNL的Nhuan Nghiem和Brian Davison在生物反应堆中开发了这一发酵工艺。应用碳-化学制品公司最近展示了这一很快商品化的发酵10万公升的工艺流程。

22、光合作用—发现光

发现光对研究绿色植物细胞和辐射有兴趣的几位ORNL的生物学家集中研究了光合作用。

在这一过程中,植物利用光作为能源,从空中的二氧化碳和水合成碳水化合物(细胞组织)。

William Arnold和Robert Emerson在率先的研究中发现了光和单元,导致Arnold 1966年发现滞后的光,国际上承认其为光合作用中的一个基本发现。(Arnold还因创造被广泛用来描述原子核分裂过程的术语“核裂变”而出名。)Roderick Clayton为光合作用第一步的电子学性质提供了证据。

七十年代和八十年代,Robert Pearlstein开发了描述绿色植物和细菌的叶绿素触角晶格中光能量迁移的理论模型。后来在八十年代,Elias Greenbaum和他的ORNL的同事Perry Eubanks、Jim Thompson、Mark Reeves和Ginger Tevault利用菠菜后来又用藻类中的光和作用将水分子分裂产生氧和富能气体氢。1985年,Greenbaum展示了光合作用电子与铂金属纳米粒子的直接电器触点;这一工作特刊登在《科学》杂志的封面上。1995年,Greenbaum与Ida Lee和James Lee合作,发现了隔离的光系统I反应中心的二极管特性。2000年,继续进行这一工作,首次测量了隔离的光合作用反应中心的光电压。

2002年,Greenbaum和他在ORNL及南加州大学的助手们研究了使用光合作用反应中心为法律上失明的盲人恢复视力问题。ORNL只有少数几个光合作用的研究人员,但他们都为这一领域作出了显著贡献。

23、生物系统—生命工厂一瞥

ORNL制定其生物研究计划,旨在确定辐射的性质和辐射对活细胞的影响。

这些研究是出于关心反应堆、原子武器试验和进入人体的放射性元素的辐射对健康的影响而进行的。辐射生物学方面的世界权威Alexander Hollaender1946年来到橡树岭,率领ORNL的研究人员开展辐射对微生物、果蝇、植物和以后是老鼠的影响的研究。他制定了一项广泛的计划,一度使ORNL成为世界上最大的生物实验室。曾在ORNL从事生物科学研究的20名研究人员被选为美国国家科学院的院士。

在Hollaender的领带下,Bill和Liane Russell于1947年启动了一项大规模的老鼠基因工程。他们开始增加特殊的老鼠品种,用于研究对受过辐射的母体所产后代的影响。老鼠基因计划最终供应的数量会稳定在250000支。

Russells夫妇还启动了一个研究辐射对发育影响的项目。1950年,Liane Russell报告称,特殊类型的生育缺陷是胚胎发育关键时期由辐射造成的。1952年,Russells夫妇联合通知医学界,婴儿发育阶段如有辐射会极大地影响对人的胚胎和婴儿损害的程度和类型。他们特别建议要避免未被发觉已受孕的妇女接受世界上采用的X射线诊断所带来的风险。

Gene Oakberg对老鼠发育的研究帮助世界上的生物学家解释诱发物的遗传效应。到1956年,ORNL的辐射-诱发(mutagenesis)研究已经产生许多的发现,以至于美国科学院的一个委员会利用这些老鼠数据详细阐述了对人类辐射遗传效应的预测。在推荐人的辐射量时,美国国内和国际团体继续依靠ORNL有关变异率生物和物理变量效应方面的数据。

也是在1956年,Takashi Makinodan使用高辐射剂量通过破坏老鼠的某些血细胞来抑制老鼠的免疫系统,然后进行世界上首次成功的骨髓移植(从大老鼠移植到小鼠)。同年,Elliott Volkin和Larry Astrachan发现RNA。RNA“解读为”DNA的遗传代码,并成为大量产生蛋白质的模型。9年前,Volkin和Waldo Cohn观测到RNA(核糖核酸)具有像DNA(脱氧核糖核酸)那样的一般结构。DNA的发现对分子生物学、病毒学和遗传学具有主要影响。

1958年,Bill Russell和他的同事们表明,将一定的辐射剂量衰减几天或几周后,老鼠中产生的变异比在几分钟内加同等辐射剂量产生的变异要少。这就提供了变异中产生的DNA损伤可以修复的第一个证据。这一发现还意味着允许辐射量有一定的水平。

1959年,Liane Russell和她的同事们发现老鼠的雄性取决于Y染色体的存在,与X染色体的数量无关。一年之后,她表明雌性哺乳动物的两个X染色体中只有一个是活性的。

六十年代中期,ORNL的生物学家们利用已经开发出来用于研究辐射效应的方法开始测量化学制品的遗传效应。美国国家癌症研究所支持ORNL研究老鼠受到辐射或接触到化学制品后导致长癌的复杂生化事例。Arthur Upton(后来成为美国国家癌症研究所所长)、John Storer和其他人进行实验,确定老鼠肺癌肿瘤是否因接触杀虫剂、二氧化硫、城市烟雾或吸烟中一种,还是所有的都接触到了而形成的。

1967年,Oscar Miller和Barbara Beatty将青蛙的腿放在ORNL建造的高分辨率实验显微镜下,并拍照了RNA形成过程中的基因。细胞生物学将最终得到这一结果的论文称为里程碑式的论文。

1972年,ORNL的Peter Mazur和Stanley Leibo(与英国的David Whittingham)将老鼠的胚胎冷冻、解冻并移植到其他的母老鼠中,这些母老鼠产下健康的小老鼠。《科学》杂志封面上特刊登的技术被牲畜业采用,以增加得奖牲畜多产的潜力。橡树岭和缅因州酒吧港的杰克逊实验室采用的深冷保存技术使得能够对老鼠的遗传系统进行修复,并提供一种带有已知遗传特点没有病毒的老鼠系列。

1979年,Willie Lijinsky在老鼠中显示食物防腐剂的亚硝酸盐与食物和药物的氨发生相互作用,在胃中消化期间形成引起癌症的硝基氨。Walderico Generoso发现未受辐射的雌性老鼠的遗传组成对确定由受某些化学制品作用的雄性老鼠传给后代的遗传损伤量至关重要。Bill Russell发现乙硝基ethylnitrosourea(ENU)是诱发老鼠变异的最有效的化学制品。结果发现这一化学制品生成主要的“点状”变异(DNA基础替代而不是删除),ENU现在广泛用作为金标准试剂,用来发现和克隆与人类疾病有关的基因。

1986年,Generoso发现母体内新受孕的老鼠胚胎受到某些化学制品的作用后增加后来胎儿特殊的出生缺陷的可能性。这一工作打乱了只有在器官形成和发育阶段的辐射才构成巨大风险的畸胎学教条。

到了九十年代,由Liane Russell领导的关于化学诱发变异的性质和频率的无数研究得出的结论是:在确定遗传变异性质时,生殖细胞阶段受诱发物的作用比诱发物本身更重要。因此,可以找到合适的化学制品和辐射草案形成某些类型的所需要的变异。

1992年,Scott Bultman、Ed Michaud和Rick Woychik找到和克隆了老鼠的刺鼠基因,该基因引起老鼠皮毛颜色的改变、肥胖症、糖尿病和癌症,人类也有这种基因。1993年,Gene Rinchik帮助找到人类和老鼠的眼睛变粉色能使哺乳动物中色素形成的稀释基因。1994年,利用老鼠,Woychik和他的助手生成了一种显示多囊肾脏疾病的导入变异,并找到造成这一结果的基因。

1995年,Cymbeline Culiat和Rinchik显示神经传递素受体的不足导致老鼠豁唇,结果使人类遗传学家们进行试验。Gerald Bunick生产了搭载宇宙飞船和轨道空间站在宇宙中生长的DNA蛋白质晶体的种子。

1998年,Audrey Stevens因她成功找到涉及RNA新陈代谢的无数蛋白质而被选为美国国家科学院院士。2001年,Dabney Johnson、Culiat和Rinchik证明他们已经开发了急性和慢性形式的人类疾病的遗传高酪胺酸糖(tyrosinemia),从而启动实验室对可能导致治疗的试验。

现在,ORNL的生物学家们正在盼望在新的老鼠舍开展实验,以进一步推进哺乳动物遗传学研究领域的进展。

24、计算生物学—发现基因,预言蛋白质结构

ORNL的计算生物学研究人员在人类基因组工程中起着重要作用。2001年,《科学》和《自然》杂志特刊刊登了人类基因组草图,这两个特刊都提到了ORNL的生物信息学研究。ORNL的Frank Larimer、Jay Snoddy和Ed Uberbacher被列为那期《自然》主要论文的两作者。Uberbacher和Richard Mural开发的GRAIL发现基因工具用于这项工作,《科学》杂志的基因组计划大事记中也提到了它。

Ying Xu和Dong Xu开发了蛋白质结构预言和评估计算机工具盒(PROSPECT),即预言来自氨基酸序列的蛋白质三维结构的计算工具。了解这些特定的蛋白质三维结构对疾病的研究和发现药物至关重要。PROSPECT可在几小时而不是传统实验需要的数月就可确定蛋白质的几何结构。它是世界上最佳的预言蛋白质结构的工具之一。

25、生物医学技术—检查和预防疾病

在过去的50年中,ORNL的研究人员发明了大的仪器,小型分析仪和小的芯片,用来诊断或预防人类疾病和小毛病。

1950年,由物理学家P. R. Bell领导的ORNL的一个组发明了一种改进闪烁谱仪,测量从磷光体产生与辐射打击这些晶体成正比的光闪烁的次数和强度。多路分析仪用电子学装置将这些闪烁记录下来,能够快速对β和γ辐射能量进行分析。

1956年,Bell的组找到将电子计算机并入医学扫描仪更精确地突出吸收放射性同位素的肿瘤的方法,从而不必要开刀来检查癌。ORNL开发的这些商业型号的成像机器被用于全世界的主要医学中心,用来查出恶性肿瘤的位置,以便进行治疗,延长患者的生命。

1961年,利用美国原子能委员会和美国国家卫生院提供的经费,由Norman Anderson领导的ORNL的一个组发现用于生产核反应堆燃料浓缩铀离心技术的医学应用。研究人员证明,根据大小和密度将物质分离成为分子组成部分的快速自旋分离机,通过去掉可造成免疫病人副作用的外来蛋白质,能够纯化疫苗。到1967年,以ORNL发明为基础的商用带状离心机为无数人生产了更为安全的疫苗。

在Anderson的引导下,Charles Scott和其他ORNL的研究人员在六十和七十年代末发明了可提的快速离心分析仪,用于全美国的医疗诊所。这些分析仪在几分钟内就能检验出血、尿和体内其他流体的成分,为医疗诊断记录下数据。

这些机器中,最著名的是ORNL的GeMSAEC,它由国家卫生院的普通医学科学处和原子能委员会共同资助。利用一个旋转15个透明管通过光束的转子,GeMSAEC将结果显示在示波器上,将数据送入计算机,在以前一次分析所用的时间里完成15的医学分析。以这一发明为基础的医学分析仪用于许多美国的诊所。

在七十和八十年代,ORNL的Carl Burtis发明了可提血液转子(blood rotor),它采用了最新的技术,根据GeMSAEC的概念加以改进。这个小的分析仪采用与光束存在的情况下的血液成分发生作用的各种试剂,旨在为诊所医师和兽医快速和同时提供人和动物血液组成部分的测量结果。该技术于1992年转让给Abaxis公司,现在仍然生产以该技术为基础的血液分析仪。

九十年代,由ORNL的Tuan Vo Dinh和位于Knoxville的汤姆森癌症救生中心(Thompson Cancer Survival Center)的Bergein Overholt和Masoud Panjehpour开发了一项确定食管肿瘤是良性还是恶性的非外科激光技术。

这个光学传感器采用内诊镜、光纤、激光和算法规则收集和比较食道中的荧光图形(正常的恶性组织不同)。该传感器已在汤姆森癌症救生中心200个患者的1000个样品中经过试验。在占98%的试验中,光学的和外科的活组织切片检查结果一致。ORNL已经将光学活组织切片检查技术转让给了Nashville的橡树岭癌症即刻化验室。

Vo-Dinh、Alan Wintenberg和其他人发明了一种先进的多功能生物芯片系统,将来的某一天,它可在医生的办公室里很快诊断很多疾病。该项技术已经转让给了橡树岭的HealthSpex公司。

九十年代初期由ORNL的研究人员Mike Ramsey发明的“芯片实验室”的改进型号被Caliper技术公司(Caliper Technologies)商品化。这些火柴盒大小的芯片有几个比人的头发还细的通道,它们与存储器连接,所有的存储器利用微加工技术都刻在极小的玻璃板上。芯片可以用来分析DNA、RNA、蛋白质和细胞。Caliper技术公司也在销售针对发现药物的高输入输出信息通过量实验用的设备。该公司2001年的销售额接近3000万美元,比2000年增长59%。

26、智能机器—用机器人降低风险

机械操纵器早已用于高放射性物质工作屏蔽室,防止使用者接触放射性物质。从七十年代晚期开始,ORNL的研究人员就发明了遥控的灵巧伺服操作器,可在电视上看这些操作器的工作。这样的“遥控操作”技术能够使在对人太危险的放射性区域的工作成为可能。这一技术扩展了阿贡国家实验室提出的较早概念,启动了ORNL机器人的研究。从此,遥控技术便应用到核燃料再加工、军事战场弹药管理、加速器、聚变反应堆和美国能源部全国废料厂环境清理工程(如遥控等离子体弧切金属结构以拆除被污染的设备)。

1980年,ORNL的John White和Howard Harvey成立了REMOTEC公司,一家移动遥控设备系统方面在射界上领先的橡树岭公司(现被Northrup Grumman公司拥有)。现在有700多台REMOTEC公司制造的遥控设备用于45个国家的军事机构、执法部门、核设施和研究实验室。1986年,ORNL的Lee Martin和Paul Satterlee成立了国际遥控机器人技术公司(Telerobotics International),该公司后并入iPIX。IPIX是成像软件和服务的提供者,它的用户从事安全、观测、房地产、在线拍卖和数字内容的开发。

1984年,Satterlee、Martin和Herndon接受数字控制伺服操作器的遥控机器人方面ORNL第一个R&D 100奖。(R&D 100奖是每年由R&D杂志为当年最佳的100项发明所颁发的奖项。ORNL比任何其他能源部的实验室获得这一奖项都多。)这个控制系统成为中心研究实验室(Central Research Laboratories)控制产品线的基础。1993年,François Pin和Stephen Killough因发明全方向完整平台而获得ORNL第二个遥控机器人R&D 100奖。该发明成为能源部、国防部和商用全方向轮椅用的几个遥控机器人平台的基础。

九十年代,ORNL遥控机器人的研究人员为改造能源部的废料容器做出贡献。工程师们发明了具有“常识”绘制在俄亥俄州Fernald的能源部设施的废物填埋场的遥控机器人;这一工作帮助能源部按时完成了工程,并节省了100万美元。

Dirk Van Hoosen和Barry Burks领导开发出放射性罐清洗系统,该系统成功地抽空ORNL早期反应堆运行产生的储存液体放射性废物的地下古耐特罐。这个系统为能源部节省了1.2亿美元的费用,所得的教训正在指导能源部其他场地的清洗计划。

九十年代末,Lynne Parker开发出联合(ALLIANCE)软件,能够让机器人接受“培训”,以便作为一个团队执行任务,降低任务故障的概率。她在相配合的机器人方面的工作可能会给Caterpillar公司和美国军方提供自主的、坚固和做决定的机器。

Pin正领导一个主要的项目,为美国陆军制造由小的燃料电池提供功率的“外甲”,以便士兵带有较重负荷时能够跑得更快和更远。他的小组最近开发出一种小的轻重量的燃料电池,用于可以增强人的力量、忍耐性和速度的尝试。除帮助士兵外,这样的一种外甲可改善建筑、采矿和加工制造业工人的安全,提高生产率,并使营救工作更安全更迅速。

Nageswara Rao证明他能使机器人在做一件工作时彼此进行联络

 

27、有害辐射防护学和辐射计量学—帮助确定辐射防护的指导原则

1942年12月当芝加哥获得第一个受控连锁反应时,一些物理学家测量了工作地点的辐射强度。因为曼哈顿工程开始,所以需要用“有害辐射防护学”的方法测量由人造核素放射出的辐射和控制工作地点的放射性污染。

四十年代,橡树岭有害辐射防护学家Karl Morgan、Herbert Parker、Ernest Wollan和其他人开发了用于测量辐射保护工人健康的仪器。与Elda Anderson、Myron Fair和Doc Emerson一起,Morgan带头成立了美国国家有害辐射防护学学会,并成为其首任会长。Morgan和Jim Turner编写了第一本有害辐射防护学教科书。

在橡树岭开展了理论和应用研究计划,以促进用于监测辐射强度和工人受辐射的有害辐射防护学仪器和剂量计的开发。五十年代中期,有害辐射防护学家们开发出世界上广泛采用的中子剂量技术和携带阿尔法和伽马辐射个人监视器。

曼哈顿之前,辐射防护考虑的多为控制医用辐射,主要是X射线机。医用和工业用的核素也多限于自然发生的铀系列成员,如铀226。裂变反应堆(如橡树岭石墨反应堆)的开发导致产生许多在研究、工业和医学方面具有应用价值的新的放射核素。在保护这些放射性核素使用者的同时,为确保有效使用它们,需要加以指导。在Morgan的指导下,第一个关于放射性核素可允许的浓度正式报告于1959年作为国际放射保护委员会(ICRP)的刊物2发行。

构成该报告基础的计算是由以Walter Snyder为首的ORNL剂量研究小组和Mary Rose Ford的大力协助下进行的。该组帮助确立了ORNL为国际剂量计算中心的地位。那时,工人成为辐射防护的重点。为建立获得国际一致同意的指导原则,需要对辐射工人的典型特点取得一致意见。在Snyder的领导下,Mary Jane Cook和其他人汇编了ICRP刊物23,收集了大量定义ICRP“参考人”("Reference Man")的解剖学和生理学数据。几十年来,ICRP的“参考人”都作为国际标准。

利用这一标准,Snyder和他的同事们表述了人体的三维模型,包括蒙特卡洛模拟辐射传输,计算辐射剂量。与核医学学会医学内部辐射计量(MIRD)委员会一起开发出合成方法,世界上称之为“MIRD幻象法”。

七十年代末以来,ORNL的剂量研究一直在Keith Eckerman的领导下。Keith Eckerman是ICRP剂量限度委员会委员和该委员会剂量计算组的主任。认识到日益需要应对公众摄入核素(例如呼入、吸入或注入),Eckerman将ORNL的剂量研究重新集中到年龄和性别特定剂量的评价。作为第一步,Eckerman和Mark Cristy从参考成年男性到儿童到成年女性扩展了辐射传输模型和数学幻象。

接下来的是个确定和模拟在放射形核素生物行为中(生物运动学)随着年龄变化的项目。它需要引进生物学上现实的模型,这些模型包括人成熟过程中常见的生理变化。由Rich Leggett领导的工作不仅为儿童提供了需要的模型,而且还改进了对成年人中放射性核素最终结果的预言。这些以生物学为基础的模型还替代了用于辐射工人的ICRP传统生物运动学模型。这一工作收集的信息为不久即将替换“参考人”的新的ICRP“参考家族”("Reference Family")的解剖学和生理学数据提供有价值的起点。

28、辐射屏蔽—安全第一

20世纪三十年代,Eugene Wigner发明了一个公式,表明有些材料比其他材料在接收或放慢中子散射中更为有效。这一工作确立了辐射防护研究的基础。

到1951年,在Everitt Blizard的指导下,ORNL成为进行计算以确定需要防止人和设备受到有害辐射强度辐射的铅、钢和混凝土屏蔽的厚度和配置。对于后来流产的核飞机工程,ORNL的研究人员努力工作,以找到保护由小核反应堆提供动力的飞机机组人员免受辐射的重量轻的屏蔽材料。为了给这一工作提供数据,五十年代建造了ORNL整体屏蔽反应堆和塔式屏蔽装置。

1958年,ORNL的研究人员开发了中子传输代码和光子传输代码,它们的屏蔽配置最佳地防止人类受到中子和伽马射线的辐射。1959年,他们评估了为美国第一艘也是唯一的一艘核动力民用船只Savannah号提出的反应堆屏蔽的有效性。

1966年,橡树岭电子直线加速器开始为屏蔽代码开发者提供辐射如何与单个原子在屏蔽材料中发生相互作用方面的数据。该加速器帮助科学家们回答了像“中子辐射被原子核捕获或散射掉了多少?”和“引起原子裂变多少?”这样的问题。

1967年,ORNL开发了计算模拟代码,该代码仍然用来评价辐射屏蔽的有效性。1986年,橡树岭传输模型公布;这个第一次公开的辐射传输模拟代码能够解决极大、复杂和三维屏蔽问题。

ORNL的屏蔽研究正用于设计散裂中子源靶、医学辐射治疗和国土安全工程。ORNL的研究人员还对困难屏蔽问题的咨询请求做出反应。

29、信息中心—分享科学数据

四十年前,ORNL所长Alvin Weinberg率领总统专门小组研究解决迅速增长的数据量问题。该小组建议成立专门的信息处理中心,负责为科学界评审、分析、压缩和解释科学文献。

为回应Weinberg的报告,满足科学界、政府和信息界的要求,1963年成立了辐射屏蔽信息中心,1996年变为辐射安全信息计算中心,反映技术包含的范围和跟上变化的计算技术。对于73个国家的科学家和教育者来说,该中心已经汇集、测试、组装和传播了1600个用于辐射屏蔽、传输和保护的计算工具。

自1963年成立以来,受控聚变原子数据中心已经为聚变能源和等离子体研究提供有趣的原子、分子和粒子对撞数据。该中心已经将来自ORNL电子-回旋加速器-共振离子源的数据提供给了在ORNL的国家聚变研究中心、普林斯顿等离子体实验室和通用核技术公司(General Atomics),并参加了国际原子能机构的数据中心网络。

自六十年代初以来,无数其他的ORNL信息中心变来变去。它们曾经涉及生态科学、健康、有毒化学制品的环境效应、核数据、核安全和补救行动计划。

1982年ORNL建立的二氧化碳信息分析中心(CDIAC)是能源部主要的全球变化数据中心。CDIAC的精确公正数据被不同性质的客户小组使用。该中心国际影响的最重大时刻是在1997年的京都会议上,当时与会的国家谈判减少温室气体排放。CDIAC向许多国家的代表、新闻媒体和各种非政府机构提供了其独特的逐个国家逐年从化石燃料燃烧中二氧化碳排放量的数据库。

30、能源效率—能耗低冷却度高

在过去的三十年中,ORNL率先开发出能耗低并对环境构成较小威胁的冷冻系统。之所以要这样做,原因是七十年代以来,因为进口用于燃料的石油供应不稳定造成能源价格的上涨;最近需要降低燃煤电厂的目标,因而削减使气候改变的二氧化碳的排放量,以及为保存保护我们的平流层臭氧层必须替换含有氟氯碳传统冷却剂。

为提高冷却设备的能源效率,研究对臭氧友好的可替代冷却剂,ORNL的工程们与主要的应用生产厂家一道工作。与Arthur D. Little、Amana、Maytag、General Electric、Sub-Zero、Sanyo、DuPont、Frigidaire和Whirlpool公司合作,ORNL的研究人员设计了效能更高的冷冻机-压缩器和超市冷冻系统。八十年代初,他们建造了一个计算机模型,现仍用于设计能效冷冻机。九十年代晚期,依靠计算机分析和应用生产厂家的意见,由Ed Vineyard领导的研究人员改变了冷冻机-冰箱的设计,使能耗降低50%,每天耗电一度。Vineyard小组重新设计了冷冻机,使能耗降低50%。

ORNL建筑技术中心的一个小组与杜邦公司一道确定对臭氧安全的冷冻剂混合物,并建议对系统进行改动,以使新的混合物提高能效。部分由于ORNL的冷冻剂试验和计算机模拟的结果,不含氯的HFC-134a通常被用于新的制冷系统中。

由Van Baxter领导的ORNL研究人员影响了超市的冷冻装置,这些装置现在有了改进的微处理机和它们自己的压缩机(而不是通向中央压缩机的潜在的漏水管道)。这些变化使超市的能耗降低30%,每年电费减少40亿美元。

在能源部开发的极大改善消费者生活的100项技术中,ORNL的冷冻工作最近被能源部评为第二最高成就。

31、能源效率—能耗低热效高

地球几乎储存从太阳接收能量的一半,起码高于人类每年需要能量的500倍。通过开发这个巨大的能源储存能力,地热加热泵为建筑物供热制冷,并提供热水。利用有不影响环境流体的地下管道,地热加热泵在冬天将来自较热地的热量传诵到建筑物,夏天将建筑物里的热量散发到较凉的地里。

环保局最近的一项研究表明,地热加热泵是能效最高、对环境最好和最佳的成本效果空间调整系统。尽管它们的潜力,地热加热泵在1990年仍被认为是“新的”,它们的传输基础设施仍处于婴儿时代。ORNL建筑技术中心提供的仔细研究和技术帮助为联邦政府设施广泛接受和使用地热加热泵扫清道路,并协助将地热加热泵引入美国加热和冷却工业的主流。

自七十年代晚期,ORNL的Patrick Hughes研究、现场试验和改进了地热加热泵系统的工程技术。八十年代中期,Van Baxter、Vince Mei和ORNL的其他人帮助改进了地热加热泵系统的部件工艺。Hughes和John Shonder在评价靠近路易斯安纳州Leesville的美国陆军Fort Polk联合待机训练中心4000个家庭的地热加热泵更新中,用文件证明了地热加热泵既节约能源又节省费用的效益。研究发现更新的家庭能耗降低33%,夏季高峰用电需求减少43%。

1998年联邦能源管理计划搞了一个项目,由Hughes和Shonder的小组支持,使联邦政府部门都用地热加热泵。从此,联邦政府每年在地热加热泵方面的投资继续增长,2001年达到6500万美元。

32、能源效率—未来的建筑

1974年阿拉伯石油对美国禁运,美国加油站排起长队,能源价格节节盘升后,ORNL应邀作为联邦政府节能研究的计划管理者。由Roger Carlsmith领导的ORNL住户节能计划致力于减少家庭使用油、气和电(20%由燃油厂提供)的问题。因为取暖和制冷占美国平均家庭用的能量的50-70%,所以通过加绝缘切断经过墙壁不需要的热流,就可以大量降低能源消耗和支付的费用。ORNL的研究人员研究改进绝缘的方法,并计算家里和公司加了绝缘后所节省的能量。

ORNL成为联邦政府开发热绝缘标准的主要资源,后来这些标准被能源部的前身、商业部和建筑行业协会所采用。这些标准帮助美国降低了能源消耗。

ORNL的研究人员从事密封活动房屋的设计工作。依靠从装有仪表的活动房屋得来的数据,由John Moyers和John领导的研究人员提出更密封的绝缘和防风窗户标准,以减少能源的消耗。这些标准被美国国家标准研究所和住房和城市发展部所采用,加工住房产业开始生产能效更高的活动房屋。

1988年,由于ORNL研究人员在南卡罗莱纳州查尔斯顿(Charleston)召开的国际能源守恒条例听证会上的作证,他们帮助将关于等外绝缘和热能保存的标准放入全美国使用的建筑条例中。现在销售的多数袋子上推荐的绝缘厚度(R值)都来自ORNL的研究。

八十年代,ORNL的工作人员起草和出版了绝缘情况说明书,使Owens Corning公司省去编辑这样一本需要的出版物要200万美元的投入。该说明书为消费者客观地提供在住宅采用绝缘的建议,是第二本最广泛使用的能源部出版物。

1995年,ORNL的研究人员发现了在寒冷气候中顶楼的低密度松散填充绝缘造成热量大量损失,找到降低损失的绝缘战略。利用这些发现,明尼苏达州将绝缘标准纳入其建筑条例中。

ORNL的研究人员Mike Gettings和Terry Sharp开发出一种计算机程序,通过能源部适应气候条件计划(WAP)帮助房产主减少能源的使用和费用。利用ORNL的国家能源审计软件(NEAT)将房屋的墙壁、门、顶楼、绝缘、照明,以及取暖和制冷系统的数据输入计算机,WAP的代表即可确定房屋是否需要顶楼和水加热器绝缘、锅炉清理和使用节能小型荧光灯泡。所有这些WAP均可免费安装。1995年以来,已散发这样的程序大约800份,ORNL为起码43个州的代表提供了NEAT程序使用的培训。

在能源部第一个建筑用户设施—建筑技术中心工作的研究人员为建筑者写了一系列的关于基础设计和湿度控制以增加能效方面的手册。这些手册是现有的通过能源和环保建筑协会指导建造能效房屋手册的前身。

由Jeff Christian领导的ORNL研究人员建立了整套墙壁等级标定程序,该程序已经在225多个墙壁系统上进行了试验,确定哪些最有效地保持热量。ORNL是第一个利用人类栖息家园作为研究房屋,首先用来试验墙壁,然后用来试验供暖、通风和空调系统的。这些房屋将被用来说明在结构上有绝缘板、能效器件(例如ORNL开发的热泵水加热器)和太阳光电采集器的房屋消耗的电不高于它们产生的电,从而使这些房屋成为零能源建筑。这项工作可能影响未来可以提供的能效房屋的标准。

33、化学和质谱测定法取得成功

ORNL的化学家们率先发明了在其石墨反应堆会上将钚从来自废铀燃料的其他裂变产物中分离出来,从而取得了该实验室为结束第二次世界大战而承担的任务。

四十年代,ORNL的化学家们首先进行了以反应堆为基础的中子活化分析。利用这些能力的一个著名的例子是1991年对从已故Zachary Taylor总统坟墓中取出他的头发和指甲样品进行的分析,驳斥了历史学家关于总统死于砷中毒的理论。

1947年,ORNL的化学家们测量了几乎所有元素的离子交换特性,得到了大量对于开发分析和工业分离无数金属的无价信息。

1954年,Sheldon Datz和Ellison Taylor开创了分子束流化学,两个束流的分子交叉,避免了造成容器壁中与原子对撞的复杂情况,并能更好地了解化学反应中原子的动态交换。两位1986年诺贝尔化学奖获得者进一步发展了这种交叉的散射技术。

Carroll Johnson和Mike Burnett开发了一种革命性的计算机程序,能够将X射线结晶学确定的分子结构数据具体化。该程序于1965年公布,它促进了用于报告和出版物分子立体图像的生成。

八十年代,Bob Mesmer和Mike Simonson领导的ORNL两个小组获得详细的数据,并开发了高温含水溶液语言模型。这些模型已经并入广泛用于蒸汽发生器和地热能源工业的工艺模型。

九十年代,Bruce Moyer小组扩展了ORNL早期开发的'溶液引出方法,发明了一种从核废料中分离出铯的新工艺。能源部采用了这一技术,用来在萨凡纳河(Savannah River)场地处理高放射性的核废料。

从五十年代晚期开始,ORNL的Gus Cameron、Joel Carter、Warner Christie、David Smith和Ray Walker开创了热离子化的质谱测定法,对非常小量的核物质进行精确的同位素定量。这些根据质量电荷比对铀、钚和其他元素进行分类的技术ORNL和其他实验室得到进一步地开发,用于从核防护到生命科学的应用。

在八十年代和九十年代,ORNL的研究人员Scott McLuckey、Gary Glish、Doug Goeringer、Gary Van Berkel、Kevin Hart和Marc Wise在四重离子捕获质谱仪方面作出几个基本发现。这个仪器将离子储存在震荡的电场内,根据质量电荷比,这些离子从陷阱中弹出进入探测器。这项工作导致开发出直接取样离子陷阱质谱仪,2002年被美国环保局同意用来现场表征废物场地。该仪器还是由美国陆军Wayne Griest领导的小组为实时探测化学和生物威胁试剂所开发的化学生物质谱仪的心脏。

1985年,ORNL是第一个使用傅里叶变换离子回旋加速器共振的能源部实验室。傅里叶变换离子回旋加速器共振是另外一个将静电和磁场结合起来使离子掉入陷阱的质谱仪。Bob Hettich和Michelle Buchanan开发了将这一仪器的质量分辨力用于分析DNA和蛋白质,将这些分析工具与生命科学连在一起的技术。

九十年代,通过改进次级离子质谱仪,Peter Todd将整个组织中的靶分子,包括脑组织中的神经递质成像,并进行分析。McLuckey、Van Berkel和Glish是第一个将电喷电离技术与离子陷阱质谱仪结合起来的,使找到蛋白质成为可能。

Bill Partridge和其他人开发了空间分辨毛细管入口质谱仪测量战略,表征用来从柴油发动机尾气去掉污染物的处理后设备中的反应。该技术现在被政府、学术而后工业研究实验室所采用,包括Cummins、Ford和Engelhard的实验室。

ORNL化学方面的研究活动继续支持能源部促进能源生产,提高效能和保护能源生产装置里和周围的人和环境的任务。

34、核物理和天文物理—从原子到爆炸的星球

ORNL的核物理研究始于四十年代晚期,主要是因为核飞机工程需要有关反应堆产生的中子的行为和对屏蔽材料效应的信息。1948年,Arthur Snell利用一台改进的3MV的静电加速器开始了研究。这台3MV的静电加速器是一台高压直流加速器,通过用质子轰击锂产生中子束流。1951年,安装了世界上同类加速器中能量最高的一台5MV的静电加速器。

在橡树岭Y-12厂,Robert Livingston和他的小组利用从电磁型同位素分离器上丢掉的电磁铁建造了回旋加速器。这些回旋加速器还从飞机工程获得支持,因为它们可用于辐射损伤研究。

1951年,Snell和Frances Pleasonton测量了中子的半衰期,首次从实验上证明中子衰变为质子、电子和电子反中微子。翌年,Alex Zucker利用ORNL第一个重离子回旋加速器束流消除了氢弹爆炸可能引燃大气噩梦似的忧虑。

1958年在橡树岭研究反应堆进行的首次实验中,Cleland、Johnson、Snell和Pleasonton在氦-6衰变中观测到中子和电子发射的方向,证实了核β衰变的电子中微子理论,该理论是粒子物理标准模型的一个主要部分。

六十年代,在橡树岭研究反应堆上,Philip Miller、James Baird和William Dress与哈佛大学的Norman Ramsey合作,确定了中子电二极磁矩的上限,一种检验在时间反演情况下物理法则不变性的敏感方法。John Gibbons、Richard Macklin和同事们利用3 MV的静电加速器确认原子元素来源于星星中的核合成;加州理工学院的Willy Fowler因这一理论获诺贝尔奖,并相信这些数据具有重要影响。Ray Satchler和他的同事们开发了计算机代码,分析核散射和核反应,Joe McGrory和他的同事们开发了描述核壳层模型的代码。所有这些代码都在世界范围内使用。1964年,橡树岭等时性回旋加速器(ORIC)成为利用现在加速器设计中常见的强聚焦原理首先运行的回旋加速器之一。1971年,利用ORIC发现了变形的铀234原子核的可能形状。1972年,Fred Bertrand领导的小组在ORIC发现了巨大的四极矩共振,引起对这些原子核震动模式的进一步研究。Curt Bemis领导的另外一个组发现铀238原子核有一个像橄榄球一样的十六极畸变。

1980年,Holifield重离子研究装置(HHIRF)为核物理研究和作为一个用户装置开始运行。25-MV串联静电加速器与ORIC结合,具有世界上最高的直流电压。1995年,利用HHIRF,Cyrus Baktash发现超级畸变扩展到比质量100还轻的原子核。1997年,HHIRF改变成为Holifield放射性离子束流装置,为核结构和天文物理的研究提供在地球上不是天然存在的第一批离子束流。Witek Nazarewicz和其他人预言了无数新现象,例如远非稳定原子核壳层效应的稳定不变损失,它现在是利用放射性束流进行研究的基础。2000年,Jorge Gomez del Campo和Jim Beene领导一个小组发现一种新的放射性形式,既从一个衰变原子核同时发射出两个质子。

在Holifield放射性离子束流装置和橡树岭电子直线加速器进行的测量有助于改进模拟新星、超新星和红色巨星。Michael Smith、Jeff Blackmon、Dan Bardayan和其他人改进了星体爆炸中87中不同同位素丰度的预言。

2001年,Tony Mezzacappa成立了一个全国性的合作组,模拟超新星的核心塌缩,以便了解超新星的爆发机制。Glenn Young和Frank Plasil领导的一个ORNL小组研制出能源部所属布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机上用的探测器,用来研究夸克-胶子等离子体,模拟宇宙开始形成时的情景。2002年,在HRIBF首次产生了锡132束流,从而能够研究更加不可思议的短寿命原子核。

35、高性能计算—冲击极限

50年来,ORNL在推进计算方面一直是领先者。1954年,Alston Householder领导的一个ORNL小组与阿贡国家实验室合作建了一台计算机,与世界上其他计算机相比,其速度最快,数据存储能力最大。被称为橡树岭自动计算机和逻辑发动机的这台机器,帮助科学家们解决了核物理、辐射效应和研制厄运核飞机工程的屏蔽方面解决了许多问题。

八十年代,ORNL的研究人员利用新的“并行计算机”取得计算方面的突破。并行计算机利用几千个处理器一道工作来解决科学问题。1995年,ORNL得到Intel Paragon XP/S 150,它是一台将3000个处理器连在一起的并行计算机,当时在世界上运行最快。它帮助科学家们预测气候变化,研制地下水的运动模型。五年后,ORNL成为能源部第一个有每秒运行万亿次计算机的实验室。购买了时为世界上第八最快计算机,现为第十六快的被称为“Cheetah”的IBM系统后,ORNL继续取得进展。

2002年,ORNL建立了超高速实时连接,使得研究界能够为总体利用挖掘以前没有的超级计算资源。这一成就是通过缩小能源部Esnet和Internet2之间的差距而实现的。还是在2002年,ORNL和Cray在能源部的指导下,与其他国家实验室建立了合作伙伴关系。该合作将研制出超过世界上运行速度最快的日本每秒运行40万亿次的地球模拟器的能力。这种伙伴关系提供能够前所未有地解决科学问题的资源,在新的世纪里将ORNL推向超级计算的前沿。

36、软件模拟—科学发现的模型

ORNL在世界范围内对用于科学发现的软件和算法具有重大影响。八十年代晚期,ORNL开发出并行虚拟机(PVM)软件。该软件的用户在九十年代中期超过40万,在世界范围内事实上成为将计算机组合成虚拟超级计算机的标准。

八十年代中期,Jack Dongarra开始做消息传递接口(MPI)的工作。Jack Dongarra在ORNL和田纳西大学均有职位。MPI是世界上科学代码使用的占主导地位的编程范例。Dongarra还领导开发了LAPACK和BLAS,以便用高性能计算机解决线性代数问题。LAPACK及其并行版本ScaLAPACK现在用于世界上所有超级计算机上。

九十年代晚期,其他的国家实验室和IBM开发出获奖的超速数据存储系统,通称高性能存储系统,现在用于美国全国的超级计算机上。与此同时,ORNL的研究人员还开发出电子记事本软件,能够使数个大科学研究组进行更有效地合作。这个软件在研究、工业、医药和学术界具有成千上万的用户。

2002年,由ORNL牵头的国家软件计划,称为OSCAR(开放源代码集群应用资源)成为世界上使用最多的集群计算管理软件,用户有5万个。

借助ORNL部分开发的软件和模拟代码,ORNL的研究人员已经用超级计算机进行三维模拟聚变等离子体和爆发星体;寻找基因和预测随着工业排放量变化未来的气候和模拟汽车碰撞以协助设计出重量较轻、效率更高的汽车,以保护撞车的受害者。ORNL的计算机模拟巨大的磁致电阻已经影响了Seagate和IBM,导致研制出更快的台式计算机和更小样式更新的数字照相机。

37、地理信息系统—跟踪地球

1969年ORNL开创了地理信息科学,10多年以后商业地理信息系统(GIS)工业发展起来。GIS是一个计算机系统,它可以收集、存储、控制和显示地理信息,包括由卫星和飞机搜集的图像。ORNL曾利用GIS将涉及局部到全球范围问题的几个多学科研究计划结合在一起。

八十年代中期,ORNL的研究人员为美国陆军有毒和有害物质局进行了研究,帮助它决定采取处理存在阿拉巴马州、阿肯色州、肯塔基州、俄勒冈州和犹他州的神经毒气武器的最安全的方法。研究人员采用GIS方法论检查场地间的货车和轨道线路,并评估将这些武器运到一个中心焚化装置的安全问题。陆军采纳了ORNL的建议,在每个场地建造一台焚化炉,以避免将有毒和有害物质运往一场地时存在的潜在危险。

八十年代晚期,美国国家海洋和大气管理局的国家海洋渔业服务机构资助研究,将沿海的鱼数量的减少与增长的城市化和农业改变了沿海的风景联系起来。ORNL的研究人员在技术上率先做出努力,结果研制出美国全部沿海地区土地覆盖变化的标准化数据库。

成功解决任何灾害的关键是准确地估计受影响地区日间和夜间的人口。通过将GIS和遥感技术结合在一起,ORNL的一个小组开发出最准确和最详细的地球人口数据库以帮助决策者。LandScan能够启动ORNL的有害预测和评估能力(HPAC)软件,帮助突发事件的计划者“搞清”化学或生物试剂散向哪里和散了多少,哪些人口需要保护。HPAC被美国和外国政府、北大西洋公约组织的分支机构,以及州和地方紧急计划和反应单位约2000名雇员使用。LandScan被联合国和世界范围内的政府部门使用。

38、运输后勤—找到捷径

为可能采取的军事行动,将部队和所需要的装备从美国基地运到国外基地,最快的路途是什么?由于ORNL和田纳西大学研究人员为美国空军开发的特殊软件,美国部队和装备可比以前更快地被空运到潜在的战区。

空中机动命令(AMC)部署分析系统(ADANS)是一系列飞机时序安排运算法则和工具,它们启动AMC于1990和1991年更迅速和更有效地将部队和装备部署在波斯湾。该系统由Mike Hilliard和Charlie Davis领导的ORNL和田纳西大学的研究人员开发。自1990年,ADANS被用于所有美国在国外的部署,包括索马里、海地、卢旺达、波斯尼亚、科索沃、阿富汗和伊拉克。ORNL的研究人员加强和支持了该系统的运行。该系统被重新命名为空中机动综合规划体系(Consolidated Air Mobility Planning System)。他们正在改进时序安排运算法则,以便与一个新的数据管理系统一道工作。

将用过的核燃料从美国东部电厂运到计划建在西部的永久废料填埋场,最快和最安全的方法是什么?由ORNL的研究人员Paul Johnson和Richard Michelhaugh开发的运输行程安排分析地理信息系统(TRAGIS),可以确定从起始点到目的地的最快高速公路、铁路或水陆的路线。TRAGIS提供人口分布和密度方面的信息。它选择符合政府规定的路线(譬如载有放射性废料的卡车必须绕过而不是直接穿过城市),如果选择的路线被堵,它会考虑可供选择的线路。TRAGIS的用户包括美国能源部、国防部、运输部门和核管理委员会。

39、生物量能量—一个木材的新世界

由于ORNL管理了20年的一项能源部计划,工业有了更有效的用于造纸、建材和家具的纸浆和木材来源。能源部生物能的供料开发计划的原来目的,是开发可转化为燃料在农场生长的可持续性的农作物。然而,由于ORNL与美国农业森林服务部门、农业研究站、多所大学和几家林木产品公司的合作,选择和开发了几种快速生长的树木和草,它们可用于木制产品和能源。白杨和柳枝稷作为典型的农作物出现。

能源部计划的参加者开发了一种遗传生长优等硬木树的技术,每6-12年可收割一次。美国林木产品工业采用了这一技术,特别是在太平洋西北和南部地区,以及最近在中北部地区。在全国范围内,大约有120000英亩的土地被用来种植短循环木本农作物,多数是白杨或杂交白杨。每年收割的纸浆纤维估计价值约为5000万美元。

40、聚变能源—寻找最后的能源来源

长期以来,从俄罗斯和日本到欧洲和美国的科学家们都在谋求开发聚变能作为丰富、安全和环境上友好的电力来源。为达到这一雄心勃勃的目标,他们必须克服科学和工程学科范围内的问题。ORNL在国际聚变界以实际上在聚变科学和工程的每个学科中做出强大贡献,并在开发聚变能方面具有保持中心作用技术的实验室和闻名。

需要给等离子体加热和加燃料吗?ORNL的研究人员发展了像子弹式的小的固体氢气球、功率比家庭用的微波炉高数百倍的高频微波管、粒子束流和具有功率几兆瓦将聚变等离子体加热几百万度的高频加热系统的物理和技术。

需要一个更好的磁约束系统吗?ORNL的研究人员已经开发出改进的磁“瓶”,现正在马德里、牛津、莫斯科和普林斯顿的装置,以及普林斯顿和橡树岭(即准-磁场极向仿星器,一种开发较小不太昂贵的聚变设备的方法)新的装置上进行试验。这些新的装置通过利用ORNL最先进的计算机已经被开发出来。

需要寿命更长、更可靠的材料吗?满足工程试验反应堆需要的新材料已经在ORNL开发出来。由于ORNL的独特辐照和微型表征装置,研究人员们就材料如何对辐射做出反应有了一个基本的了解,从而能够创造新的材料。

这里是ORNL聚变能事业中经选择的一些最精彩的部分。为使持续的聚变反应产生像其被引入到聚变装置里那么多的能量(能量无亏损),必须满足某些条件。它们是在足够长的时间内有非常高的聚变等离子体温度和密度,即所谓的Lawson准则。1978年,Hal Haselton领带下开发出来的ORNL高功率中性束流注入等离子体加热系统,使得普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的托卡马克获得等离子体的最高温度。1983年,利用由ORNL的Stan Milora和其他人率先开发的加燃料技术在MIT的Alcator-C托卡马克装置上所作的里程碑色实验中,首次超越Lawson准则。所谓加燃料技术,是从气枪将冻结的氢“子弹”射入等离子体室内。1986年,Milora和PPPL的G.L.Schmidt在其进行的实验中,利用ORNL研制的像机关枪式的燃料注入器,在PPPL的托卡马克聚变试验反应堆上确定了Lawson的最高参数。

总之,ORNL以将其主要的能力运用到推进磁聚变达到产生使用功率的目标而知名。

41、技术转让—从工作台到市场

四十多年来,ORNL开发的许多技术被转化为构成作为创建新公司基础的实用产品和服务项目。现在,作为实验室的一部分,ORNL的技术转让计划及其带来的经济增长是基础科学研究的“下游的”副产品。的确,自2000年4月30日以来,利用ORNL转让技术的30家新公司,包括橡树岭地区的许多公司成立。

ORNL技术转让的典型例子是在探测器、传感器和扫描仪领域。1960年,ORNL的John Neiler、Jack Gibbons、Hal Schmitt、和Phil Miller成立了ORTEC公司。这个派生的公司建造和销售以ORNL开发的硅表面障碍探测技术为基础的带电粒子(α粒子、裂变碎片)探测器。ORTEC现在是AMETEK公司的一部分,曾经是商业辐射探测仪器方面世界上的领先者。Tennelec是1960年由Edward Fairstein创办的一家橡树岭公司,为ORTEC探测器制造信号放大器,现被Canberra拥有。ORTEC和Tennelec的创办标志着ORNL首批有几个重要意义的技术转让的例子。

七十年代中,ORNL的研究人员开发出一种分析反应堆中噪音的技术。GE公司购买了这一技术。该技术能够测量沸水反应堆中的稳定性。

为物理和中子散射实验发明了测量粒子从靶弹出的角度和能量的位置敏感探测器。由Cas Borkowski和Manfred Kopp发明的这些探测器已实现商品化。

ORNL的物理学家和电子学专家们在研制探测器和电子学部件,寻找在美国能源部所属布鲁克海文国家实验室模拟的宇宙开始(夸克-胶子等离子体)的证据中发挥了重要作用。PHENIX探测器的研制工作为ORNL在创新低功率、混合信号集成电路中发展重要的能力提供了跳板。几个在探测和测量市场上崛起的小公司通过特许协议和合作充分利用了这一能力。

像自行车轮胎一样,核电厂有控制阀,使气体或液体只向一个方向流动的设备。八十年代,Howard Haynes、Don Casada、和Dave Eissenberg发明了磁技术,这些技术非干涉性地监视控制阀内部部件的运动,能够找到发生故障或以一种可能导致过早失效的反常方式运行的阀门。Framatome ANP转让了ORNL的这一技术,该技术是售出用于诊断电厂阀门中问题的系统的基础。

Framatome ANP还转让了Haynes和Eissenberg的发明。该发明将马达和发电机的信号细分的非常详细,以至于甚至机器中一些小的变化都能探测到。Framatome ANP已经向包括波音、Eli Lilly、General Motors宇航局再内的客户销售了50个改进设备安全和可靠性及预测设备寿命的信号分析系统,以及电器设备。

九十年代,Randall Wetherington领导的ORNL的工程师们世界上最先进的水下声学测量系统。美国海军正在利用这一技术决定下一代潜艇是否在为躲避敌人潜艇探测所需要的平静水平开动。Michael Paulus和Shaun Gleason研制出MicroCAT扫描仪,一种绘制实验老鼠中内部缺陷和器官变化的X光计算断层照相系统。他们的公司ImTek已经向大学和私营公司销售了17台扫描仪,用于开展癌症、遗传学和发现药物的研究。

Thomas Thundat说明微型悬臂 — 类似原子力显微镜中探头的微型跳板,可用来探测环境污染物、爆炸物和疾病的化学信号。ORNL的这一技术已经转让给了Graviton公司,用在很快就上市的化学和生化传感器上;转给让Sense Technologies公司,用于在机场探测为爆炸的军火;还转让给Sarcon公司,用于红外线成像。

这些和其他几十个ORNL的技术令人确信科学的发现会给服务的公众带来各种各样的好处。

42、科学教育—打下基础

自从成立以来,ORNL就为教育培训和研究机会提供了资源。1946年初Eugene Wigner成为ORNL负责研究的所长后,他建立了橡树岭反应堆技术学校。该校成为几所大学核工程课程的典范,是ORNL对核能的最大贡献。该校的毕业生中有的成为核工业的领导人,包括Hyman G. Rickover船长,他来到ORNL了解美国海军是否可利用核能。

随着创建科学联盟 — 一个与田纳西大学(UT)联合研究计划,ORNL在八十年代中期扩大了教育的范围。由田纳西州提供经费,科学联盟相信将ORNL和UT的研究项目结合起来定会使公众受益。

2000年UT作为ORNL的总承包者加入Battelle后,关系进一步扩大。从此,每年共有教师、研究生和在这两个机构工作的博士后研究人员的数量均有增加。UT-ORNL合伙包括联合管理从事生物科学、计算科学和中子科学研究的新设施和研究部门。

ORNL与UT的密切关系今天因与橡树岭联合大学和ORNL与之进行各种研究活动的6所核心大学结成伙伴关系而得到加强。这6所核心大所(杜克大学、佛罗里达州立大学、乔治亚工业大学、北卡罗莱纳州立大学、弗吉尼亚大学和弗吉尼亚理工学院和州立大学)提供支持ORNL研究项目的各种研究能力。

ORNL的研究范围不局限于高等教育。每年有6000多名K-12范围里的学生上由ORNL主办的理科教育班。ORNL还是理科和工程竞赛的发起者,以及给田纳西大学理科、数学和工程奖学金的赞助者。2003年,像60年前做的那样,ORNL的任务包括承诺分享科学探索的效益。

43、废料管理—结束核周期

石墨反应堆变成临界六十年后,今天,ORNL通过发现隔离核废料的安全方法,正帮助结束核的周期。最重要的工作可能关系到地质上处理用过燃料和高放射性核废料储存地的选址,它是导致国会批准丝兰山(内华达州)作为可能处理场地努力的一部分。努力的过程开始于1955年美国国家科学院召开的专门制定美国永久处理反应堆废料计划的一次会议。与会的65名科学家中,有ORNL的科学家Floyd Culler、Roy Morton、和Ed Struxness。与会者推荐采用层状盐作为高放射性废料处理的最佳方法,尽管存在其他的选项。

1958年美国原子能委员会(AEC)请ORNL管理核废料储存计划,很大程度上是因为其科学家在废料管理研究中早期的领导能力。六十年代,ORNL在堪萨斯盐矿管理一个重要的表征和试验计划。1970年,宣布美国第一个示范储存地将选在这里,但对技术和政治上的关注推翻了这一决定。通过研究多种类型的岩石和改善选址标准,ORNL继续领导AEC的核废料储存计划。1976年,在橡树岭设立了废料隔离办公室,后来该办公室转入Battelle纪念协会(Memorial Institute)。

ORNL还曾是管理低放射性核废料(LLW)方面的领导者。七十年代晚期和八十年代初期,ORNL曾当过美国能源部国家低放射性废料计划的副主任。具有高度创新性降低掩埋低放射性废料释放核素的现场处理技术被采纳。最后,与橡树岭Y-12工厂生产氢弹计划用的浓缩锂所用水银有关的处理问题,多数由ORNL的科学家们解决,帮助激励能源部确定了补救行动计划。从清除旧的场地到建设最新的处理场地,可靠的废料管理已经成为核周期的中心部分。

44、政府政策—帮助美国的科学发展

ORNL的研究已经为联邦政府的科技政策决策者们提供了重要信息,造成争论,有时成为各种法律、条例和其他政策的措辞。例如,自六十年代以来,ORNL的研究导致制定了几个规章标准,这些标准改进了核电厂运行的安全。

1974年,当ORNL前所长Alvin Weinberg领导为联邦能源管理局提供咨询的联邦能源办公室时,他建议开发有效利用能源的技术和研究能源生产的长期气候生物效应。这些建议得到由Jack Gibbons, Roger Carlsmith和Eric Hirst(他开发出建筑物中提高能效的工具和功率传输系统)以及Eric Hirst(他研究植物如何吸收大气的二中氧化碳和死后返回二氧化碳,作为全球碳周期的一部分)领导的现在正在进行的ORNL实验结果的支持。

“RNL对美国人考虑能源和清洁有效地使用能源的方式产生重要影响。”Tom Wilbanks说。Tom Wilbanks是ORNL学会的会员,曾为四大洲四十的国家的人提供解决能源和环境问题方面的帮助。当六十年代Weinberg预见到ORNL可能成为国家环境研究与开发实验室后,美国的能源政策制定开始发生许多变化。作为这一先见之明的表现形式,在ORNL制定了美国自然科学基金会环境计划,由麻省理工学院的David Rose负责领导,Gibbons为他的副手。Gibbons后来成为美国国会技术办公室的主任和比尔。克林顿总统的科学顾问。Carlsmith、Hirst和其他ORNL的人员在说服美国政策制定者和商界领导人关于提高能效并不意味降低能源服务时起了重要作用。工业领导人事实上开始看到能效可能是好生意。像Honeywell和Johnson Controls这样的公司开始销售设备监视能耗,而能源部则确定了国家器具效率标准。由David Greene和其他人领导的ORNL研究也影响了提高运输能效政策的改进。

ORNL还在培育环境影响分析的艺术和科学,帮助形成实施1969年美国国家环境法中发挥了突出作用。另外,ORNL在七十年代影响了美国国家环境标准的出台。由Chuck Coutant领导的关于从电厂冷却系统放出的经加热的水的鱼和水中生命的效应研究在1970年清洁水法的一节和环保局的执行文件中有所反映。环保局的执行文件仍然是评估热排放效应的基本方针。

45、ORNL的未来—下一代大科学园区

1943年,6000多名工人开始建造大约150栋建筑物,后来它们构成ORNL。现在,该实验室的全体工作人员正在重建这一实验室。除14亿美元的散裂中子源SNS外,3亿美元的现代化计划将会使它能够吸引下一代世界水平的科学家到ORNL工作。私人资助的设施:建在能源部立契转让的土地上,30万平方英尺的设施里建有最先进的能源和计算科学实验。

 

五、大事记

1939年 发现核裂变。

1942年 橡树岭被选为二战曼哈顿计划的场地。

1943年 世界上第一台连续运转造价1200万美元的石墨反应堆经过9个月的建造达到临界。

1944年 石墨反应堆生产出钚,为生产结束二战的原子弹所需钚的Hanford反应堆做好准备。

1945年 在石墨反应堆上发现元素61(钷);在反应堆上首次开展中子散射研究(实验者为Ernie Wollan和Cliff Shull;后者因在石墨反应堆上所做的开拓性工作荣获1994年诺贝尔物理奖)。

1946年 首次将反应堆生产的放射性同位素送到癌症医院;提出压水反应堆的设想(后用于核电和潜水推力);设计出放射探测器和剂量仪。

1947年 老鼠用来研究辐射对哺乳动物的遗传影响;原子委员会成立。

1948年 设计用于研究反应堆的燃料成分;材料实验反应堆在ORNL设计,建在爱达荷州。

1949年 在ORNL开发出普雷克斯过程,后来在世界范围内成为从用过的反应堆燃料中回收铀和钚的方法。

1950年 橡树岭反应堆技术学校成立;低流强测试反应堆首次运行。

1951年 整体屏蔽反应堆开始运行;测量中子半寿命;安装5 MW静电加速器。

1952年 建造ORNL第一台重离子回旋加速器;根据对被辐照老鼠胚胎的研究,ORNL告戒不要对可能怀孕的妇女进行X光检查;均匀反应堆实验首次运行。

1953年 在ORNL安装当时世界上功率最大的橡树岭自动计算机和逻辑机;ORNL为军队设计在遥远场地使用的可移动反应堆。

1954年 塔式屏蔽设施为ORNL计算提供数据,帮助设计紧凑、重量轻的屏蔽,防止核飞机飞行人员遭受反应堆辐射。虽然核飞机从未建造,但ORNL参与国家的飞机核推进项目开发出大量的有用核技术。

首次成功地进行了实验。在实验中,通过两种不同反应物的分子束流对撞,研究了一种化学反应。

1955年 在联合国和平利用原子大会上ORNL小的“游泳池”式反应堆展示给艾森豪威尔总统;Alvin Weinberg被任命为ORNL所长,任职历时18年。

1956年 核糖核酸(RNA)被发现;展示首例骨髓移植。国家科学院委员会根据ORNL老鼠数据就辐射对人类遗传效应进行预测。

1957年 在ORNL领导的影响下,对可允许的医用辐射水平和工作地点的放射性核素作出决定;ORNL第一台聚变研究装置建成。

1958年 橡树岭研究性反应堆开始运行;美国首次寻找高水平核废料储存地的努力由ORNL开始。

1959年 发现老鼠的雄性取决于Y染色体的存在;对克林奇河(Clinch River)进行了研究,评估从一个主要的核设施释放的放射性同位素的潜在长期危害。

1960年 制作出用作个人辐射监视器的袖珍啸声器;测量化学制品对老鼠的遗传影响的实验计划启动。

1961年 开始开发放射性同位素加热源,为空间卫星提供动力;在ORNL反应堆上开发出嬗变搀杂法;后用于制造电子学部件。

1962年 开展辐射防护物理研究;研究反应堆竣工;借助计算机模拟发现离子沟道效应;军民研究计划启动;木实验台用放射性同位素铯-137作标记;分析表明核武器实验产生的放射性微粒具有危害性。

1963年 辐射屏蔽信息中心成立;橡树岭等时性回旋加速器首次运行。

1964年 成为第一个雇用社会科学家(开始时进行军民研究)的国家实验室;在联合国大会上介绍ORNL核脱盐概念。

1965年 高通亮同位素反应堆(HFIR)和熔盐反应堆运行(MSR)。

1966年 石墨反应堆被命名为国家历史性里程碑;开发出评价核临界安全的KENO蒙特卡洛代码。 

1967年 Walker Branch Watershed研究设施对生态系统研究开放;ORNL被选为领导国际生物计划下美国的生态系统研究;在ORNL高速离心机中分离出病毒;开发出评估辐射屏蔽保护能力的模拟代码。

1968年 使用铀233,第二个熔盐反应堆运行(这是第一台使用这种燃料的反应堆);发明医疗诊断用的快速离心分析仪;用ORNL开发的区域离心机产生出超纯疫苗;设计出能更好抗中子诱导膨胀的不锈钢合金。

1969年 利用新的橡树岭电子直线加速器首次进行了中子截面测量;ORNL成为与遥感结合在一起的地理信息系统的领导者;设计出Apollo 11月亮岩石收集器。

1970年 提出SCALE标准,帮助确保用过核燃料的安全储存和运输;ORNL第一台用于等离子体物理实验的托卡马克聚变研究装置运行。

1971年 水生态实验室成立;获得环境影响说明所需的鱼最喜欢水温的数据;在加速器研究中确定了变形的铀234原子核的可能形状。

1972年 能量守恒研究计划启动;老鼠胚胎冷冻、解冻和移植到母性老鼠中,生出健康的幼鼠;在生物反应堆中,发现花园土壤的细菌去掉来自工业废水的硝酸盐和稀有金属;发现四极磁铁大共振;广泛研究出现这些原子核大振荡的模式。

1973年 对月球岩石的组成进行分析;制作出超声波鱼标记,用来测量和传送鱼最喜欢的水温。

1974年 Herman Postma被任命为ORNL所长,历时14年;开发出铬钼钢;在世界范围内,用于电力事业锅炉和炼油锅炉。

1975年 开发出生态系统的计算机模型,使ORNL成为系统生态学方面的领先者;开发出将核燃料密封在空间探测器用的结实铱合金。

1976年 试验性的ANFLOW生物反应堆安装在橡树岭市污水处理厂;改进从煤生产液态和气体燃料并确定它们生物效应的计划启动。

1978年 吉米.卡特总统访问ORNL;开发出为裂变能源研究设备添加燃料的芯块注入法,在世界范围内被广泛采用。

1979年 ORNL的中性注入器帮助普林斯顿等离子体物理实验室使聚变等离子体温度创造记录;ORNL帮助核控制委员会确定三里岛核电厂事故的起因和后果;发现乙亚硝基脲是诱发老鼠变异最有效的化学制品;在研究老鼠中,发现食品防腐剂中的亚硝酸盐与食品和药物胺发生反应,形成引起癌症的硝基胺。

1980年 Holifield重离子研究装置(HHIRF)作为核物理用户装置对外开放;国家小角度散射研究中心开放后,HHIRF成为用户设施;国家环境研究园(12400英亩)开放;发现新的离子注入技术能改进物质表面的性能;ORNL用氮离子注入钛合金后,制造出寿命更长的人造关节;建立计算机模型,预测电站对哈德逊河鱼的影响;ORNL研究人员启动遥控技术研究,成为世界上制造承担危险任务机器人的领先者。

1981年 开发出晶须韧化、抗断裂陶瓷,用于工厂的切削工具。

1982年 为提高冷冻机和加热泵的效率,制定了标准,拟订了设计;制定了绝缘标准,后被联邦政府部门采用;开发出改进的镍铝化物合金,用于钢材和汽车部件的商业化生产;在大线圈测试设备上由聚变能研究人员对超导磁铁成功地进行了测试;二氧化碳信息分析中心成立,该中心是世界上有名的全球变化数据存储中心。

1984年 利用菠菜和藻类中的光和作用,开始进行从水产生含有巨大能量氢的实验。

1985年 开发出用碘123示踪的脂肪酸,用于医疗扫描诊断心脏病;田纳西大学和ORNL建立科学联盟;开发出胶铸,现在,商业上用于形成微涡论的陶瓷部件。

1986年 ORNL确定切诺尔贝力核电站事故何时发生和为什么释放出那么多的放射。

1987年 高温材料实验室作为用户装置对谋求制造能效高发动机的工业界研究人员开放;激光器用来制造高温超导材料;鉴于能源部对实验室反应堆安全管理的担忧,ORNL所有反应堆关闭。

1988年 为开展聚变能源研究,利用仿星器,启动先进环形装置;Alvin Trivelpiece被任命为ORNL所长,历时12年。

1989年 为核控制委员会重新颁发核电厂运行许可证,提供了“一般环境影响报告”第一草案。

1990年 ORNL的酸雨研究导致控制工业上的硫和氧化氮的排放;原子序数对比电子显微镜看到一列一列的原子;计算机代码帮助部队更好地在战场部署兵力和装备;确认中子内存在夸克。

1991年 在HHFIR上进行的中子活化分析否定了美国一位总统死于砷中毒的说法;写出软件,通过将到处分散的PC机连起来的办法解决问题。

1992年 乔治.布什总统参观ORNL;发明铼188同位素产生器,在世界范围内,治疗癌症和心脏病患者;发明薄膜微型锂电池;发现和克隆老鼠刺豚鼠基因;发现变异基因引起肥胖症、糖尿病和癌症;开发出图形输入语言(GRAIL),用于在计算机上识别DNA序列中的基因。

1993年 发明光学活组织切片检查技术,不动手术就能发现食道中的癌症肿瘤;UT-ORNL名列前500台超级计算机。

1994年 发明“芯片实验室”,现在商业上用于蛋白质分析和毒品发现实验;发明质谱测定技术,用于探测污染物、爆炸物和蛋白质;开发出ALLIANCE软件,使一组一组的机器人配合工作;为在新的并行超级计算机上运行未来气候模型准备了代码。

1995年 启动当时世界上最快的超级计算机Intel Paragon XP/S 150;发明了制造高温超导线的RABiTSTM方法;开发出超级计算机数据存储和检索超高速系统;ORNL的DNA蛋白质晶体搭载哥伦比亚号宇宙航天飞机在宇宙中生长;为海军开发出探测过往潜水艇的信号分析系统。

1996年 修改了大众冷冻机模型,将能耗降低一半;发现石墨泡沫导热异乎寻常的好;设计出心跳探测器,发现藏在车内的恐怖分子和罪犯;可查找的电子簿式的视窗帮助合作者通过国际网络运行实验。

1997年 开发出检验俄罗斯武器等级的铀转换为反应堆等级燃料的设备;初步设计质谱仪,帮助海军发现生化威胁;第一次被批准公布在遗传上设计的微生物制造出增强受损录象带信号的VITALE,帮助警察解决犯罪问题;世界上最大的集水区实验说明干旱和大雨对森林的影响;首次被批准公布经过遗传工程处理得到的微生物。

1998年 发明MicroCAT扫描仪;绘制出变异老鼠内部变化图;户外FACE实验表明胶皮糖香树在浓化CO2大气中长得更快;ORNL的技术帮助半导体公司发现引起计算机芯片中缺陷的问题。

1999年 副总统戈尔在散裂中子源SNS破土动工仪式上讲话;发明迅速探测人体疾病的多功能生物芯片;开展合金研究导致造纸厂的锅炉更新改进或新的锅炉,使其更加安全。

2000年 Bill Madia被任命为ORNL所长;两台新的超级计算机投入运行;ORNL在国际蛋白质结构预测竞争中,位于前100名的第四名;田纳西大学-ORNL开放国家运输研究中心;开发出节能加热泵水加热器;ORNL帮助将3个人类染色体排序;聚变能理论学家开始设计准 - 磁场极向仿星器。

2001年 为半导体公司设计出检查三维缺陷直接到数字的全息照相术;GRAIL用于《科学》和《自然》关于人类基因组排序方面具有里程碑性的论文;能源部部长Spencer Abraham访问ORNL,将DOE的土地转给ORNL用于新的建设;与工业伙伴开发出超导变压器和高温超导电缆。

2002年 UT-ORNL计算机科学联合研究所破土动工;3亿美元现代化计划开始动工兴建;能源部批准在ORNL建立纳米相材料科学中心;人类生活家园橱窗中展示的ORNL能源技术;锕-225从ORNL运到医院治疗白血病。

2003年8月1日起,Jeff Wadsworth担任ORNL所长。

2003年 私人资助的设施:在能源部立契约转让的土地上建造300000平方英尺的设施中,将有最先进的能源和计算科学实验室。

2007年7月1日起,凝聚态物理学家Thom Mason担任ORNL所长。

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自http://www.ornl.gov/