El Laboratorio Nacional de Oak Ridge ( ORNL ) es un centro de investigación y desarrollo financiado por el gobierno federal en Oak Ridge, Tennessee , Estados Unidos. Fundado en 1943, el laboratorio ahora está patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y administrado por UT–Battelle, LLC . [3]
Fundado en 1943, ORNL es el laboratorio nacional de ciencia y energía más grande del sistema del Departamento de Energía por tamaño [4] y el tercero más grande por presupuesto anual. [5] Está ubicado en la sección del condado de Roane de Oak Ridge. [6] [7] Sus programas científicos se centran en materiales , ciencia nuclear , ciencia de neutrones , energía, computación de alto rendimiento , ciencia ambiental , biología de sistemas y seguridad nacional , a veces en asociación con el estado de Tennessee , universidades y otras industrias.
ORNL cuenta con varias de las mejores supercomputadoras del mundo , incluida Frontier , clasificada por TOP500 como la más poderosa del mundo. El laboratorio es una instalación líder en investigación de neutrones y energía nuclear que incluye la fuente de neutrones por espalación , el reactor de isótopos de alto flujo y el centro de ciencias de materiales nanofásicos .
El Laboratorio Nacional Oak Ridge está gestionado por UT–Battelle , [8] una sociedad de responsabilidad limitada entre la Universidad de Tennessee y el Battelle Memorial Institute , formada en 2000 con ese fin. [9] El presupuesto anual es de 2.400 millones de dólares. En 2021, el ORNL cuenta con una plantilla de 5.700 personas, de las cuales alrededor de 2.000 son científicos e ingenieros, [10] y 3.200 investigadores invitados adicionales al año. [11]
Hay cinco campus en la reserva Oak Ridge del Departamento de Energía: el Laboratorio Nacional, el Complejo de Seguridad Nacional Y-12 , el Parque Tecnológico del Este de Tennessee (anteriormente la Planta de Difusión Gaseosa de Oak Ridge ), el Instituto de Ciencia y Educación de Oak Ridge y el Parque Científico y Tecnológico de Oak Ridge en desarrollo, aunque las otras cuatro instalaciones no están relacionadas con el Laboratorio Nacional. [12] [13] El área total de la reserva es de 150 kilómetros cuadrados (58 millas cuadradas) de los cuales el laboratorio ocupa 18 kilómetros cuadrados (7 millas cuadradas). [14] [15]
En 1934 se excavó el sitio del túmulo de Freel Farm , un sitio arqueológico y túmulo funerario del período Woodland tardío . [16] El sitio está actualmente inundado por el lago Melton Hill . [17]
La ciudad de Oak Ridge fue fundada por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército como parte de las Obras de Ingenieros Clinton en 1942 en tierras agrícolas aisladas como parte del Proyecto Manhattan . [18] Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación avanzada para el gobierno fue administrada en el sitio por el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago . [19] En 1943, se completó la construcción de los Laboratorios Clinton, lo que más tarde se conocería como el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. [18] [20] El sitio fue elegido para el Reactor de Grafito X-10 , utilizado para producir plutonio a partir de uranio natural . Enrico Fermi y sus colegas desarrollaron el segundo reactor nuclear autosostenible del mundo después del experimento anterior de Fermi, el Chicago Pile-1 . El X-10 fue el primer reactor diseñado para operación continua. [21]
Después del final de la Segunda Guerra Mundial, el gobierno de los EE. UU. contrató a Monsanto para que se encargara del laboratorio ; sin embargo, se retiraron en 1947. [22] La Universidad de Chicago asumió temporalmente la responsabilidad, y el sitio recibió la prestigiosa designación de laboratorio "nacional", hasta que en diciembre de 1947, Union Carbide and Carbon Co. , que ya operaba otras dos instalaciones en Oak Ridge, tomó el control del laboratorio y renombró el sitio como Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL). [20] [22] [23]
Después de la guerra, la demanda de ciencia militar había caído drásticamente y el futuro del laboratorio era incierto. El reactor X-10 y los 1.000 empleados del laboratorio ya no estaban involucrados en armas nucleares. [18] [22] En cambio, se utilizó para investigación científica. [21] En 1946 se produjeron los primeros isótopos médicos en el reactor X-10, y en 1950 se habían enviado casi 20.000 muestras a varios hospitales. [21] [22] La cantidad y variedad de radionucleidos producidos por X-10 para medicina creció de manera constante en la década de 1950. ORNL fue la única fuente occidental de californio-252 . [22] Los científicos de ORNL también realizaron el primer trasplante de médula ósea exitoso del mundo en ratones suprimiendo sus sistemas inmunológicos . [22]
En 1950 se estableció la Escuela de Tecnología de Reactores de Oak Ridge con dos cursos de operación y seguridad de reactores; casi 1000 estudiantes se graduaron. [22] Gran parte de la investigación realizada en ORNL en la década de 1950 estaba relacionada con los reactores nucleares como una forma de producción de energía, tanto para propulsión como para electricidad. Se construyeron más reactores en la década de 1950 que en el resto de la historia de ORNL en conjunto. [22] Uno de sus proyectos más influyentes fue el reactor de agua ligera , un precursor de muchas centrales nucleares modernas. El ejército de los EE. UU. financió gran parte de su desarrollo, para submarinos y barcos de propulsión nuclear de la Armada de los EE. UU . [22] El Ejército de los EE. UU. también contrató el diseño de reactores nucleares portátiles en 1953 para la generación de calor y electricidad en bases militares remotas. [24] Los reactores fueron producidos por la American Locomotive Company y utilizados en Groenlandia , la Zona del Canal de Panamá y la Antártida . [22] La Fuerza Aérea de los EE. UU. también contribuyó con la financiación de tres reactores, las primeras computadoras del laboratorio y sus primeros aceleradores de partículas. [22] ORNL construyó su primer reactor de sal fundida en 1954 como prueba de concepto para una flota propuesta de bombarderos de largo alcance , pero nunca se utilizó. [22] [24]
Alvin M. Weinberg fue nombrado Director de Investigación del ORNL y, en 1955, Director del Laboratorio. [22] [23] A principios de los años 1960, el ORNL hizo un gran esfuerzo para desarrollar plantas de desalinización alimentadas por energía nuclear , donde los desiertos se encontraban con el mar, para proporcionar agua. El proyecto, llamado Agua para la Paz, fue respaldado por John F. Kennedy y Lyndon B. Johnson y se presentó en una conferencia de las Naciones Unidas en 1964, pero el aumento del costo de la construcción y la caída de la confianza pública en la energía nuclear hicieron que el plan se cerrara. [22] [24] El reactor de investigación de física de la salud construido en 1962 se utilizó para experimentos de exposición a la radiación que llevaron a límites de dosis y dosímetros más precisos y a una mejor protección contra la radiación . [22]
En 1964 se inició el experimento del reactor de sales fundidas con la construcción del reactor. Funcionó desde 1966 hasta 1969 (con seis meses de inactividad para pasar del combustible de U-235 al de U-233 ) y demostró la viabilidad de los reactores de sales fundidas , al tiempo que producía combustible para otros reactores como subproducto de su propia reacción. [22] El reactor de isótopos de alto flujo construido en 1965 tenía el mayor flujo de neutrones de todos los reactores de la época. [22] Mejoró el trabajo del reactor X-10, produciendo más isótopos médicos y permitiendo una mayor fidelidad en la investigación de materiales. [22] Los investigadores de la división de biología estudiaron los efectos de los productos químicos en los ratones, incluidos los vapores de gasolina , los pesticidas y el tabaco . [22]
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A finales de los años 1960, los recortes en la financiación llevaron a la cancelación de los planes para otro acelerador de partículas, y la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos redujo el programa de reactores reproductores en dos tercios, lo que llevó a una reducción de personal de 5.000 a 3.800. [22] En los años 1970, la perspectiva de la energía de fusión se consideró seriamente, lo que impulsó la investigación en ORNL. Un tokamak llamado ORMAK, que se puso en funcionamiento en 1971, fue el primer tokamak en alcanzar una temperatura de plasma de 20 millones de Kelvin. [25] Después del éxito de los experimentos de fusión, se amplió y se rebautizó ORMAK II en 1973; sin embargo, los experimentos finalmente no lograron conducir a plantas de energía de fusión. [22]
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A principios de los años 1970, la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos (AEC) exigió que se mejoraran los estándares de seguridad para los reactores nucleares, por lo que el personal del ORNL redactó casi 100 requisitos que cubrían muchos factores, incluidos el transporte de combustible y la resistencia a los terremotos. En 1972, la AEC celebró una serie de audiencias públicas en las que se destacaron los requisitos de refrigeración de emergencia y los requisitos de seguridad se volvieron más estrictos. [22] También en 1972, Peter Mazur , un biólogo del ORNL, congeló con nitrógeno líquido , descongeló e implantó embriones de ratón en una madre sustituta . Las crías de ratón nacieron sanas. [22] La técnica es popular en la industria ganadera, ya que permite transportar fácilmente los embriones de ganado valioso y se pueden extraer múltiples óvulos de una vaca premiada y, por lo tanto, a través de la fertilización in vitro , tener muchas más crías de las que serían posibles de forma natural. [22]
En 1974, Alvin Weinberg, director del laboratorio durante 19 años, fue reemplazado por Herman Postma , un científico especializado en fusión. [22] En 1977, comenzó la construcción de electroimanes superconductores de 6 metros (20 pies) , destinados a controlar las reacciones de fusión . El proyecto fue un esfuerzo internacional: se produjeron tres electroimanes en los EE. UU., uno en Japón, uno en Suiza y el último por los estados europeos restantes. [22] ORNL participó en el análisis de los daños al núcleo de la central nuclear de Three Mile Island después del accidente de 1979. [ 22]
La década de 1980 trajo más cambios al ORNL: un enfoque en la eficiencia se volvió primordial. Se construyó una cámara de simulación climática acelerada que aplicaba condiciones climáticas variables al aislamiento para probar su eficacia y durabilidad más rápido que en tiempo real. [22] Se realizó investigación de materiales en cerámica resistente al calor para su uso en motores de camiones y automóviles de alta tecnología, basándose en la investigación de materiales que comenzó en los reactores nucleares de la década de 1950. [22] En 1987 se estableció el Laboratorio de Materiales de Alta Temperatura, donde ORNL e investigadores de la industria cooperaron en proyectos de cerámica y aleaciones. El presupuesto de investigación de materiales en ORNL se duplicó después de la incertidumbre inicial con respecto a la política económica de Reagan de menor gasto gubernamental. [22] En 1981, se inauguró en ORNL la Instalación de Investigación de Iones Pesados Holifield, un acelerador de partículas de 25 MV . En ese momento, Holifield tenía la gama más amplia de especies de iones y era dos veces más potente que otros aceleradores, atrayendo a cientos de investigadores invitados cada año. [22]
El Departamento de Energía estaba preocupado por la contaminación que rodeaba al ORNL, y comenzó los esfuerzos de limpieza. Las zanjas de enterramiento y las tuberías con fugas habían contaminado el agua subterránea debajo del laboratorio, y los tanques de radiación estaban inactivos, llenos de desechos . Las estimaciones del costo total de la limpieza fueron de cientos de millones de dólares estadounidenses. [22] Los cinco reactores más antiguos fueron sometidos a revisiones de seguridad en 1987, y se ordenó su desactivación hasta que se completaran las revisiones. En 1989, cuando se reinició el reactor de isótopos de alto flujo, el suministro estadounidense de ciertos isótopos médicos se agotó. [22] En 1989, el ex funcionario ejecutivo de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , Alvin Trivelpiece , se convirtió en director del ORNL; permaneció en el cargo hasta el año 2000. [22]
En 1992, el denunciante Charles Varnadore presentó denuncias contra ORNL, alegando violaciones de seguridad y represalias por parte de sus superiores. Si bien un juez administrativo falló a favor de Varnadore, el Secretario de Trabajo Robert Reich revocó esa decisión. Sin embargo, el caso de Varnadore provocó que el contratista principal Martin Marietta fuera citado por violaciones de seguridad y, en última instancia, condujo a una protección adicional para los denunciantes dentro del DOE. [26]
En enero de 2019, ORNL anunció un avance importante en su capacidad para automatizar la producción de Pu-238 que ayudó a aumentar la producción anual de 50 gramos a 400 gramos, acercándose al objetivo de la NASA de 1,5 kilogramos por año para 2025 con el fin de sostener sus programas de exploración espacial. [27]
El ORNL lleva a cabo actividades de investigación y desarrollo que abarcan una amplia gama de disciplinas científicas. Muchas áreas de investigación se superponen significativamente entre sí; los investigadores suelen trabajar en dos o más de los campos enumerados aquí. Las principales áreas de investigación del laboratorio se describen brevemente a continuación.
El laboratorio tiene una larga historia de investigación energética; se han llevado a cabo experimentos con reactores nucleares desde el final de la Segunda Guerra Mundial en 1945. Debido a la disponibilidad de reactores y recursos informáticos de alto rendimiento, existe un énfasis en mejorar la eficiencia de los reactores nucleares. [31] [32] Los programas desarrollan materiales más eficientes, simulaciones más precisas de núcleos de reactores envejecidos, sensores y controles, así como procedimientos de seguridad para las autoridades reguladoras. [32]
El Programa de Tecnologías de Electricidad y Eficiencia Energética tiene como objetivo mejorar la calidad del aire en los EE. UU . y reducir la dependencia de suministros de petróleo extranjeros. [33] Hay tres áreas clave de investigación: electricidad, fabricación y movilidad. La división de electricidad se centra en reducir el consumo de electricidad y encontrar fuentes alternativas para la producción. Los edificios, que representan el 39% del consumo de electricidad de EE. UU. en 2012, son un área clave de investigación ya que el programa tiene como objetivo crear hogares asequibles y neutrales en carbono . [34] También se realizan investigaciones sobre paneles solares de mayor eficiencia , electricidad y calefacción geotérmica , generadores eólicos de menor costo y la viabilidad económica y ambiental de posibles plantas de energía hidroeléctrica . [35] [36] [37]
La División de Energía de Fusión persigue objetivos a corto plazo para desarrollar componentes como superconductores de alta temperatura , inyectores de pellets de hidrógeno de alta velocidad y materiales adecuados para futuras investigaciones sobre la fusión. [38] [39] En la División de Energía de Fusión se llevan a cabo muchas investigaciones sobre el comportamiento y el mantenimiento del plasma para promover la comprensión de la física del plasma , un área crucial para el desarrollo de una planta de energía de fusión. [38] [39] La oficina estadounidense del ITER está en el ORNL con socios en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y el Laboratorio Nacional del Río Savannah . [40] La contribución estadounidense al proyecto ITER es del 9,1%, que se espera que supere los 1.600 millones de dólares durante todo el contrato. [41] [42] Los investigadores del ORNL participaron en el desarrollo de un extenso plan de investigación para la colaboración entre Estados Unidos y el ITER que se detallará en 2022. [43]
La investigación biológica abarca la ecología , la silvicultura , [44] la genómica , la biología computacional , la biología estructural y la bioinformática . [45] El Programa de Bioenergía tiene como objetivo mejorar la eficiencia de todas las etapas del proceso de biocombustible para mejorar la seguridad energética de los Estados Unidos. [46] El programa tiene como objetivo realizar mejoras genéticas en la biomasa potencial utilizada, [47] formular métodos para refinerías que puedan aceptar una amplia gama de combustibles y mejorar la eficiencia del suministro de energía tanto a las centrales eléctricas como a los usuarios finales. [48] [49]
El Centro de Biofísica Molecular lleva a cabo investigaciones sobre el comportamiento de las moléculas biológicas en diversas condiciones. El centro alberga proyectos que examinan las paredes celulares para la producción de biocombustibles, [50] utilizan la dispersión de neutrones para analizar el plegamiento de proteínas y simulan el efecto de la catálisis a escala convencional y cuántica . [51] [52] ORNL alberga un sitio de campo para la Red Nacional de Observatorios Ecológicos (NEON), que tiene una oficina de campo cercana. El Departamento de Energía trabaja en estrecha colaboración con la Agencia de Recursos de Vida Silvestre de Tennessee desde ORNL para monitorear la ecología forestal de los Apalaches y el Dominio de la Meseta de Cumberland circundantes de NEON. [44]
Hay dos fuentes de neutrones en el ORNL: el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) y la fuente de neutrones por espalación (SNS). El HFIR proporciona neutrones en un haz estable resultante de una reacción nuclear constante , mientras que el SNS, un acelerador de partículas, produce pulsos de neutrones. [53] [54] El HFIR alcanzó su punto crítico en 1965 y desde entonces se ha utilizado para la investigación de materiales y como una fuente importante de radioisótopos médicos. [55] A partir de 2013, el HFIR proporciona el flujo de neutrones constante más alto del mundo como resultado de varias mejoras. [56] El berkelio -249, utilizado para sintetizar tennessina por primera vez, se produjo en el HFIR como parte de un esfuerzo internacional. [57] Es probable que el HFIR funcione hasta aproximadamente 2060 antes de que se considere que el recipiente de presión del reactor no es seguro para su uso continuo. [58]
El SNS tiene los pulsos de neutrones de mayor intensidad de todas las fuentes de neutrones creadas por el hombre. [59] El SNS se puso en funcionamiento en 2006 y desde entonces se ha mejorado a 1 megavatio con planes de continuar hasta 3 MW. [56] Los pulsos de neutrones de alta potencia permiten obtener imágenes más claras de los objetivos, lo que significa que se pueden analizar muestras más pequeñas y se requieren menos pulsos para obtener resultados precisos. [60]
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Entre 2002 y 2008, ORNL se asoció con Caterpillar Inc. para crear un nuevo material para sus motores diésel que pudiera soportar grandes fluctuaciones de temperatura. [61] El nuevo acero, llamado CF8C Plus, se basa en el acero inoxidable CF8C convencional con manganeso y nitrógeno añadidos ; el resultado tiene mejores propiedades a alta temperatura y es más fácil de fundir a un coste similar. [61] En 2003, los socios recibieron un premio R&D 100 de la revista R&D y en 2009 recibieron un premio a la "excelencia en transferencia de tecnología" del Consorcio Federal de Laboratorios por la comercialización del acero. [61]
En el ORNL hay un laboratorio de materiales de alta temperatura que permite a los investigadores de universidades, empresas privadas y otras iniciativas gubernamentales utilizar sus instalaciones. Como sucede con todas las instalaciones de usuarios designados, los recursos del Laboratorio de Materiales de Alta Temperatura están disponibles de forma gratuita si se publican los resultados; se permite la investigación privada, pero se requiere un pago. [62]
El Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS) investiga el comportamiento y la fabricación de nanomateriales . El centro pone énfasis en el descubrimiento de nuevos materiales y la comprensión de las interacciones físicas y químicas subyacentes que permiten la creación de nanomateriales. [63] En 2012, el CNMS produjo una batería de sulfuro de litio con una densidad energética teórica de tres a cinco veces mayor que las baterías de iones de litio existentes . [64]
La ORNL proporciona recursos al Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos y a otros programas de defensa. El programa de Seguridad Global y No Proliferación (GS&N) desarrolla e implementa políticas, tanto en los Estados Unidos como a nivel internacional, para prevenir la proliferación de material nuclear . [65] El programa ha desarrollado salvaguardas para arsenales nucleares, directrices para desmantelar arsenales, planes de acción en caso de que el material nuclear caiga en manos no autorizadas, métodos de detección de material nuclear robado o perdido y comercio de material nuclear entre los Estados Unidos y Rusia. [65] El trabajo del GS&N se superpone con el de la Oficina de Programas de Seguridad Nacional, proporcionando detección de material nuclear y directrices de no proliferación. Otras áreas relacionadas con el Departamento de Seguridad Nacional incluyen la ciencia forense nuclear y radiológica, la detección de agentes químicos y biológicos mediante espectrometría de masas y simulaciones de posibles peligros nacionales. [66]
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ORNL ha sido el sitio de varias supercomputadoras , hogar de las más rápidas en varias ocasiones. [67] En 1953, ORNL se asoció con el Laboratorio Nacional Argonne para construir ORACLE (Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine), una computadora para investigar física nuclear, química, biología e ingeniería. [24] [67] [68] ORACLE tenía 2048 palabras (80 Kibit ) de memoria y tardaba aproximadamente 590 microsegundos en realizar la suma o multiplicación de números enteros. [68] En la década de 1960, ORNL estaba equipado con un IBM 360/91 y un IBM 360/65. [69] En 1995, ORNL compró una computadora basada en Intel Paragon llamada Intel Paragon XP/S 150 que funcionaba a 154 gigaFLOPS y ocupaba el tercer lugar en la lista TOP500 de supercomputadoras. [67] [70] En 2005 se construyó Jaguar , un sistema basado en Cray XT3 que funcionaba a 25 teraFLOPS y recibió actualizaciones incrementales hasta la plataforma XT5 que funcionó a 2,3 petaFLOPS en 2009. Fue reconocido como el más rápido del mundo desde noviembre de 2009 hasta noviembre de 2010. [71] [72] Summit se construyó para el Laboratorio Nacional de Oak Ridge durante 2018, que alcanzó los 122,3 petaFLOPS. En junio de 2020, Summit era la segunda supercomputadora [con frecuencia] más rápida del mundo con 202 752 núcleos de CPU, 27 648 GPU Nvidia Tesla y 250 Petabytes de almacenamiento, habiendo perdido la primera posición ante la supercomputadora japonesa Fugaku . [73] En mayo de 2022, el sistema ORNL Frontier rompió la barrera de la exaescala, [74] logrando 1,102 exaflop/s utilizando 8.730.112 núcleos.
Desde 1992, el Centro de Ciencias Computacionales ha supervisado la computación de alto rendimiento en ORNL. Administra la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge que contiene las máquinas. [75] En 2012, Jaguar se actualizó a la plataforma XK7 , un cambio fundamental ya que las GPU se utilizan para la mayoría del procesamiento, y se renombró Titan . Titan funcionó a 17,59 petaFLOPS y ocupó el puesto número 1 en la lista TOP500 de noviembre de 2012. [76] Otras computadoras incluyen un clúster de 77 nodos para visualizar datos que las máquinas más grandes generan en el Entorno de Visualización Exploratoria para Investigación en Ciencia y Tecnología (EVEREST), una sala de visualización con una pared de 10 por 3 metros (30 por 10 pies) que muestra proyecciones de 35 megapíxeles. [77] [78] Smoky es un clúster Linux de 80 nodos que se utiliza para el desarrollo de aplicaciones. Los proyectos de investigación se refinan y prueban en Smoky antes de ejecutarse en máquinas más grandes como Titan. [79]
En 1989, los programadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge escribieron la primera versión de Parallel Virtual Machine (PVM), un software que permite la computación distribuida en máquinas de diferentes especificaciones. [80] PVM es un software libre y se ha convertido en el estándar de facto para la computación distribuida. [81] [82] Jack Dongarra de ORNL y la Universidad de Tennessee escribió la biblioteca de software LINPACK y los puntos de referencia LINPACK , utilizados para calcular el álgebra lineal y el método estándar para medir el rendimiento de punto flotante de una supercomputadora, tal como lo utiliza la organización TOP500. [67] [83]
