Национальная лаборатория Аргонна

Национальная лаборатория Аргонн (англ. Argonne National Laboratory) — одна из старейших и крупнейших научно-исследовательских лабораторий Министерства энергетики США (DOE). Расположена в округе Дюпейдж, штат Иллинойс, примерно в 40 километрах к юго-западу от Чикаго. Лаборатория специализируется на фундаментальных и прикладных исследованиях в области физики, химии, биологии, материаловедения, энергетики, ядерных технологий и вычислительной техники. Является мультипрограммным научным центром, управляемым компанией UChicago Argonne, LLC от имени Министерства энергетики США.

История

Создание и ранние годы

История Аргоннской лаборатории восходит к 1942 году, когда в рамках Манхэттенского проекта под руководством Энрико Ферми на стадионе Стагг-Филд Чикагского университета был построен первый в мире ядерный реактор — Chicago Pile-1 (CP-1). После успешного запуска реактора 2 декабря 1942 года стало очевидно, что для дальнейших работ по созданию ядерного оружия и освоению атомной энергии необходима специализированная, удалённая от города площадка.

В 1943 году Министерство обороны США выделило участок земли в лесном заповеднике Аргонн (Argonne Forest Preserve), где была построена новая лаборатория, первоначально названная «Металлургической лабораторией» (Metallurgical Laboratory). После окончания Второй мировой войны, 1 июля 1946 года, лаборатория была официально учреждена как Аргоннская национальная лаборатория — первая национальная лаборатория, созданная в США для мирных исследований атомной энергии. Первым директором стал Уолтер Зинн.

Развитие ядерной программы

В послевоенные годы лаборатория стала центром ядерных исследований. В 1949 году здесь начал работу экспериментальный реактор на быстрых нейтронах EBR-I (Experimental Breeder Reactor I), расположенный на испытательном полигоне в Айдахо (ныне Национальная лаборатория Айдахо). 20 декабря 1951 года EBR-I впервые в мире выработал электричество за счёт ядерной энергии, зажёг четыре лампочки мощностью 200 ватт. Впоследствии лаборатория разработала и запустила ряд других экспериментальных реакторов, включая EBR-II (1964), который стал прототипом для будущих реакторов-размножителей.

Переход к мультидисциплинарности

С 1970-х годов сфера деятельности лаборатории расширилась за пределы ядерной энергетики. Были созданы мощные ускорители частиц: синхротрон APS (Advanced Photon Source), введённый в эксплуатацию в 1995 году, стал одним из самых ярких источников рентгеновского излучения в мире. Лаборатория активно включилась в исследования в области материаловедения, химии, биологии, нанотехнологий и климата. В 2000-х годах Аргонн стал ключевым центром в проектах по созданию суперкомпьютеров (в частности, Mira, Theta, Aurora) и разработке технологий аккумуляторов, водородной энергетики и возобновляемых источников энергии.

Научные направления и основные объекты

Физика высоких энергий и ускорители

Аргоннская лаборатория располагает несколькими ускорительными комплексами. Advanced Photon Source (APS) — источник синхротронного излучения третьего поколения, позволяющий исследовать структуру вещества на атомном и молекулярном уровне. APS используется в материаловедении, биологии, химии, геологии и медицине. В 2023 году началась масштабная модернизация APS (APS Upgrade), которая после завершения в 2024 году повысит яркость пучка в 500 раз.

Также в лаборатории находится Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) — ускоритель тяжёлых ионов, предназначенный для изучения ядерной физики, синтеза сверхтяжёлых элементов и исследования свойств ядерной материи.

Вычислительные технологии

Аргонн является одним из ведущих центров высокопроизводительных вычислений в США. Здесь расположен Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) — вычислительный центр, оснащённый суперкомпьютерами. В 2012 году был запущен суперкомпьютер Mira (10 петафлопс), в 2017 году — Theta (11,6 петафлопс). В 2023 году начал работу экзафлопсный суперкомпьютер Aurora, который по состоянию на 2024 год является одним из самых мощных в мире (производительность более 1 экзафлопса). Эти системы используются для моделирования климата, расчётов в астрофизике, биологии, материаловедении и искусственном интеллекте.

Энергетика и аккумуляторы

Лаборатория активно занимается разработкой технологий хранения энергии. В Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) — совместном центре, базирующемся в Аргонне, — ведутся работы по созданию аккумуляторов нового поколения (литий-серные, литий-воздушные, натрий-ионные). Исследования направлены на увеличение энергоёмкости, снижение стоимости и повышение безопасности батарей для электромобилей и стационарных накопителей.

Также лаборатория разрабатывает технологии ядерных реакторов нового поколения (реакторы на быстрых нейтронах, малые модульные реакторы), водородной энергетики, улавливания и хранения углерода.

Материаловедение и нанотехнологии

В Аргонне действует Center for Nanoscale Materials (CNM) — центр нанотехнологий, оснащённый оборудованием для синтеза и характеризации наноматериалов. Исследования охватывают области катализа, фотоники, плазмоники, наноэлектроники и биомедицинских материалов.

Биология и медицина

Лаборатория участвует в проектах по структурной биологии (с использованием APS), изучению механизмов заболеваний, разработке новых лекарств и методов диагностики. В частности, ведутся работы по анализу структуры белков, вирусов и клеточных мембран.

Крупные проекты и достижения

Разработка ядерных реакторов

• EBR-I и EBR-II — первые в мире реакторы-размножители на быстрых нейтронах, доказавшие возможность наработки топлива и выработки электроэнергии.
• Fast Flux Test Facility (FFTF) — реактор для испытаний материалов и топлива (эксплуатировался до 1993 года).
• Участие в проекте Generation IV International Forum (GIF) — разработка реакторов четвёртого поколения.

Вклад в науку

• Открытие и синтез нескольких сверхтяжёлых элементов (в сотрудничестве с другими лабораториями).
• Разработка метода мюонной томографии для сканирования крупных объектов (например, пирамид Гизы).
• Создание Argonne Code Center — одного из первых центров по разработке и распространению научного программного обеспечения.

Экология и климат

• Участие в проекте Atmospheric Radiation Measurement (ARM) — мониторинг климатических параметров.
• Разработка моделей для прогнозирования распространения загрязнений и изменения климата.

Управление и финансирование

Лаборатория находится в ведении Министерства энергетики США (DOE) и управляется компанией UChicago Argonne, LLC — совместным предприятием Чикагского университета и компании Jacobs Engineering Group. Штат лаборатории составляет около 3400 сотрудников, включая учёных, инженеров и технический персонал. Ежегодный бюджет превышает 1 миллиард долларов США, основная часть которого поступает из федерального бюджета.

Международное сотрудничество

Аргоннская лаборатория активно сотрудничает с научными организациями по всему миру, включая Европейскую организацию по ядерным исследованиям (ЦЕРН), японскую организацию по атомной энергии JAEA, китайскую академию наук, а также с российскими институтами (до 2022 года). Совместные проекты охватывают области физики высоких энергий, ядерной физики, материаловедения и климатологии.

Критика и безопасность

Как и другие объекты ядерной инфраструктуры, Аргоннская лаборатория подвергалась критике со стороны экологических организаций за потенциальную опасность радиоактивных отходов и риски аварий. Лаборатория имеет строгую систему радиационной безопасности и лицензию Комиссии по ядерному регулированию США (NRC). Инцидентов с выбросом радиоактивных веществ за пределами площадки не зафиксировано. Также высказывались опасения по поводу использования результатов исследований в военных целях, однако лаборатория официально ориентирована на мирные проекты.

Источники

• Официальный сайт Национальной лаборатории Аргонн (Argonne National Laboratory)
• Министерство энергетики США (DOE) — отчёты по национальным лабораториям
• История Манхэттенского проекта (Los Alamos National Laboratory)
• Научные публикации журнала Nature и Science
• Данные Комиссии по ядерному регулированию США (NRC)