Аргоннская национальная лаборатория

Аргоннская национальная лаборатория (Argonne National Laboratory, ANL) — одна из старейших и крупнейших национальных лабораторий Министерства энергетики США, расположенная в округе Дапейдж, штат Иллинойс, примерно в 40 км к юго-западу от Чикаго. Основана в 1946 году как первая национальная лаборатория, созданная после Второй мировой войны для развития атомной энергетики и фундаментальных научных исследований. Лаборатория является мультидисциплинарным научно-исследовательским центром, входящим в систему Национальных лабораторий Министерства энергетики США и управляемым компанией UChicago Argonne LLC (дочерняя структура Чикагского университета) по контракту с федеральным правительством. Основные направления деятельности включают ядерную физику, материаловедение, химию, биологию, энергетику, информатику и разработку ускорителей частиц.

История

Создание и первые годы

Лаборатория ведёт свою историю от Металлургической лаборатории Чикагского университета, где в 1942 году под руководством Энрико Ферми был запущен первый в мире искусственный ядерный реактор — Chicago Pile-1 (CP-1). После войны, в 1946 году, на базе реактора CP-2, построенного в Аргоннском лесу (Argonne Forest), была официально учреждена Аргоннская национальная лаборатория. Первоначально её задачей было развитие мирной атомной энергетики, включая проектирование реакторов для подводных лодок и атомных электростанций. В 1948 году лаборатория переехала на нынешнюю площадку в округе Дапейдж.

Ядерная эра

В 1950-х — 1960-х годах ANL стала пионером в разработке реакторов на быстрых нейтронах (Experimental Breeder Reactor I и II), а также в создании первого в мире реактора с водяным охлаждением под давлением (PWR) для подводной лодки USS Nautilus. Лаборатория также внесла вклад в создание первого в мире коммерческого реактора Shippingport Atomic Power Station (1957). В 1960-х годах ANL разработала концепцию реактора с жидкометаллическим теплоносителем (натрий) и активно участвовала в программе «Атом для мира».

Переход к мультидисциплинарности

С 1970-х годов, по мере снижения темпов развития атомной энергетики, лаборатория расширила спектр исследований, включив в него физику высоких энергий, материаловедение, химию и биологию. В 1980-х годах был построен ускоритель Advanced Photon Source (APS) — один из самых мощных источников синхротронного излучения в мире, введённый в эксплуатацию в 1995 году. В 1990-х — 2000-х годах ANL сосредоточилась на энергоэффективности, возобновляемых источниках энергии, нанотехнологиях и вычислительной биологии.

Структура и управление

Лаборатория управляется UChicago Argonne LLC — партнёрством, в которое входят Чикагский университет, Jacobs Engineering Group и другие организации. Общее руководство осуществляет Министерство энергетики США (DOE). Внутренняя структура включает несколько научных и инженерных директоратов:

• Директорат физических наук — исследования в области физики высоких энергий, ядерной физики, астрофизики и физики конденсированного состояния.
• Директорат энергетики и глобальной безопасности — разработка ядерных реакторов, управление ядерными отходами, энергоэффективность, возобновляемые источники.
• Директорат вычислительных наук — суперкомпьютерные вычисления, моделирование, искусственный интеллект.
• Директорат наук о жизни и окружающей среде — биология, экология, климатология.
• Директорат инженерных и инфраструктурных проектов — строительство и эксплуатация крупных научных установок.

Основные научные установки

Advanced Photon Source (APS)

APS — источник синхротронного излучения с энергией 7 ГэВ, один из самых ярких в мире. Он используется для изучения структуры материалов на атомном и молекулярном уровне, в том числе в биологии, химии, материаловедении и геологии. В 2023 году завершена модернизация APS (APS Upgrade), которая увеличила яркость пучка в 500 раз.

Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS)

ATLAS — ускоритель тяжёлых ионов, работающий на сверхпроводящих резонаторах. Он используется для исследований в области ядерной физики, в том числе для изучения свойств экзотических ядер и реакций синтеза.

Argonne Leadership Computing Facility (ALCF)

ALCF — центр суперкомпьютерных вычислений, входящий в систему DOE Leadership Computing Facilities. В разное время здесь работали суперкомпьютеры Mira (10 петафлопс), Theta (11 петафлопс) и Aurora (экзафлопсный суперкомпьютер, запущен в 2023 году, пиковая производительность — 1,2 экзафлопса). Aurora используется для моделирования климата, материалов, биологических систем и искусственного интеллекта.

Center for Nanoscale Materials (CNM)

CNM — исследовательский центр, специализирующийся на нанотехнологиях. Оснащён оборудованием для синтеза, характеризации и моделирования наноматериалов, включая сканирующие зондовые микроскопы, электронные микроскопы и литографические установки.

Научные достижения

Аргоннская лаборатория известна рядом фундаментальных и прикладных открытий:

• Разработка первого в мире реактора-размножителя на быстрых нейтронах (EBR-I, 1951), который впервые выработал электричество из ядерной энергии.
• Создание первого в мире реактора с водяным охлаждением под давлением (PWR) для подводных лодок.
• Открытие изотопов — в лаборатории впервые синтезированы изотопы плутония-244, америция-243, кюрия-245 и других трансурановых элементов.
• Разработка метода рентгеновской кристаллографии для изучения структуры белков (совместно с другими центрами).
• Создание первой в мире системы искусственного интеллекта для управления ядерным реактором (2019).
• Разработка технологии литий-воздушных аккумуляторов с высокой энергоёмкостью.
• Вклад в создание первого в мире экзафлопсного суперкомпьютера (Aurora).

Применение и сотрудничество

Лаборатория активно сотрудничает с университетами, промышленными компаниями и другими национальными лабораториями. Основные направления прикладных исследований:

• Энергетика — разработка реакторов IV поколения, малых модульных реакторов, систем управления ядерными отходами, технологий водородной энергетики и аккумуляторов.
• Материаловедение — создание новых материалов для электроники, авиакосмической промышленности, медицины и энергетики.
• Биология и медицина — исследования в области структурной биологии, разработка методов диагностики и лечения рака, изучение механизмов старения.
• Климат и экология — моделирование климатических изменений, изучение углеродного цикла, разработка методов улавливания и хранения углерода.
• Информатика — разработка алгоритмов искусственного интеллекта, машинного обучения, квантовых вычислений и кибербезопасности.

Критика и ограничения

Как и другие национальные лаборатории США, ANL периодически подвергается критике со стороны экологических организаций за связь с ядерной энергетикой и военными программами. В 1990-х годах лаборатория была вовлечена в скандал, связанный с утечкой радиоактивных материалов (трития) в грунтовые воды, что привело к ужесточению экологического контроля. В 2020-х годах некоторые проекты ANL, связанные с искусственным интеллектом и моделированием климата, критикуются за возможное использование в военных целях (например, для прогнозирования погоды в зонах боевых действий). Также отмечается, что лаборатория традиционно ориентирована на интересы США и не публикует часть данных, связанных с национальной безопасностью.

Источники

• Официальный сайт Аргоннской национальной лаборатории (anl.gov)
• Министерство энергетики США, «History of Argonne National Laboratory» (DOE/ANL-2000)
• «Argonne National Laboratory: 75 Years of Discovery» (UChicago Argonne LLC, 2021)
• Национальная академия наук США, «Review of the Argonne National Laboratory» (2019)
• «The First Reactor» (Э. Ферми, 1946)
• «Argonne Leadership Computing Facility: Aurora» (DOE, 2023)