El Laboratorio Nacional Oak Ridge ( ORNL ) es un centro de investigación y desarrollo financiado con fondos federales 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]
Establecido 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 tiene varias de las supercomputadoras más importantes del mundo , incluida Frontier , clasificada por el 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 para ese fin. [9] El presupuesto anual es de 2.400 millones de dólares EE.UU. En 2021, hay una plantilla de 5700 personas trabajando en ORNL, de los cuales alrededor de 2000 son científicos e ingenieros, [10] y 3200 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 Oak Ridge para la Ciencia y la Educación , 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 Freel Farm Mound , un sitio arqueológico y túmulo funerario del período del Bosque tardío . [16] El sitio está actualmente inundado por el lago Melton Hill . [17]
La ciudad de Oak Ridge fue establecida por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército como parte de Clinton Engineer Works en 1942 en tierras agrícolas aisladas como parte del Proyecto Manhattan . [18] Durante la Segunda Guerra Mundial, la investigación avanzada para el gobierno fue gestionada 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 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 funcionamiento continuo. [21]
Después del final de la Segunda Guerra Mundial, la gestión del laboratorio fue contratada por el gobierno de Estados Unidos a Monsanto ; sin embargo, se retiraron en 1947. [22] La Universidad de Chicago reasumió temporalmente la responsabilidad, y el sitio recibió la prestigiosa designación de laboratorio "Nacional", hasta que en diciembre de 1947, cuando Union Carbide y Carbon Co. , que ya operaban otros dos instalaciones en Oak Ridge, tomó el control del laboratorio y cambió el nombre del sitio a Oak Ridge National Laboratory (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 investigaciones científicas. [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 la medicina crecieron constantemente en la década de 1950. ORNL era la única fuente occidental de californio-252 . [22] Los científicos de ORNL también realizaron el primer trasplante exitoso de médula ósea en ratones mediante la supresión de su sistema inmunológico . [22]
En 1950 se estableció la Escuela de Tecnología de Reactores de Oak Ridge con dos cursos sobre operación y seguridad de reactores; Se graduaron casi 1.000 estudiantes. [22] Gran parte de la investigación realizada en ORNL en la década de 1950 estaba relacionada con los reactores nucleares como forma de producción de energía, tanto para propulsión como para electricidad. En la década de 1950 se construyeron más reactores que en el resto de la historia del ORNL combinado. [22] Uno de sus proyectos más influyentes fue el reactor de agua ligera , 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 estadounidense 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 EE. UU. también contribuyó con fondos para tres reactores, las primeras computadoras del laboratorio y sus primeros aceleradores de partículas. [22] ORNL construyó su primer reactor de sales fundidas en 1954 como prueba de concepto para una flota propuesta de bombarderos de largo alcance , pero nunca se utilizó. [22] [24]
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Alvin M. Weinberg fue nombrado Director de Investigación del ORNL y, en 1955, Director del Laboratorio. [22] [23] A principios de la década de 1960 hubo un gran impulso en ORNL para desarrollar plantas de desalinización de propulsión 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 fue presentado en una conferencia de las Naciones Unidas en 1964, pero los aumentos en el costo de la construcción y la caída de la confianza del público en la energía nuclear hicieron que el plan fuera cerrado. . [22] [24] El reactor de investigación de física de la salud construido en 1962 se utilizó para experimentos de exposición a la radiación que condujeron a límites de dosis y dosímetros más precisos y a un mejor blindaje contra la radiación . [22]
En 1964 se inició el Experimento del reactor de sales fundidas con la construcción del reactor. Operó desde 1966 hasta 1969 (con seis meses de inactividad para pasar del combustible U-235 al 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 flujo de neutrones más alto de cualquier reactor en ese momento. [22] Mejoró el trabajo del reactor X-10, produciendo más isótopos médicos y permitiendo una mayor fidelidad de la investigación de materiales. [22] Los investigadores de la división de biología estudiaron los efectos de las sustancias químicas en ratones, incluidos los vapores de gasolina , los pesticidas y el tabaco . [22]
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A finales de la década de 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 recortó el programa de reactores reproductores en dos tercios, lo que provocó una reducción del personal de 5.000 a 3.800. [22] En la década de 1970, se consideró seriamente la posibilidad de la energía de fusión , lo que provocó investigaciones en ORNL. Un tokamak llamado ORMAK, puesto 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, fue ampliado y rebautizado como ORMAK II en 1973; sin embargo, los experimentos finalmente no lograron conducir a plantas de energía de fusión. [22]
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La Comisión de Energía Atómica de EE.UU. (AEC) exigió mejores estándares de seguridad a principios de los años 1970 para los reactores nucleares, por lo que el personal de ORNL redactó casi 100 requisitos que cubrían muchos factores, incluido 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 , 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 a una vaca premiada se le pueden extraer múltiples óvulos y así, a través de la fertilización in vitro , tener muchas más crías de las que naturalmente serían posibles. . [22]
En 1974, Alvin Weinberg, director del laboratorio durante 19 años, fue sustituido por Herman Postma , un científico de la fusión. [22] En 1977 se inició 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 en los demás estados europeos. [22] ORNL participó en el análisis de los daños al núcleo de la estación de generación nuclear de Three Mile Island después del accidente de 1979 . [22]
La década de 1980 trajo más cambios a ORNL: centrarse en la eficiencia se volvió primordial. Se construyó una cámara de simulación climática acelerada que aplicó diferentes condiciones climáticas al aislamiento para probar su eficacia y durabilidad más rápido que en tiempo real. [22] Se llevó a cabo una investigación sobre materiales cerámicos resistentes 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 el ORNL y los 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 sobre la política económica de Reagan de reducir el gasto gubernamental. [22] En 1981, se inauguró en ORNL el Centro 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, lo que atraía a cientos de investigadores invitados cada año. [22]
El Departamento de Energía estaba preocupado por la contaminación que rodeaba a ORNL y comenzó a realizar esfuerzos de limpieza. Las zanjas funerarias 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 ascendieron a 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, se agotó el suministro estadounidense de ciertos isótopos médicos. [22] En 1989, el ex director ejecutivo de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia , Alvin Trivelpiece , se convirtió en director de ORNL; permaneció en el cargo hasta 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 de derecho administrativo falló a favor de Varnadore, el Secretario de Trabajo, Robert Reich, anuló ese fallo. Sin embargo, en el caso de Varnadore, el contratista principal Martin Marietta fue 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 gran avance en su capacidad para automatizar la producción de Pu-238 , lo que ayudó a impulsar la producción anual de 50 gramos a 400 gramos, acercándose al objetivo de la NASA de 1,5 kilogramos por año para 2025 para sostener su exploración espacial. programas. [27]
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 trayectoria en 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, se hace hincapié en mejorar la eficiencia de los reactores nucleares. [31] [32] Los programas desarrollan materiales más eficientes, simulaciones más precisas del envejecimiento de los núcleos de los reactores, sensores y controles, así como procedimientos de seguridad para las autoridades reguladoras. [32]
El Programa de Eficiencia Energética y Tecnologías Eléctricas tiene como objetivo mejorar la calidad del aire en Estados Unidos y reducir la dependencia del suministro de petróleo extranjero. [33] Hay tres áreas clave de investigación: electricidad, manufactura y movilidad. La división de electricidad se centra en reducir el consumo de electricidad y encontrar fuentes alternativas de 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 viviendas asequibles y neutras 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 Fusion Energy 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 fusión. [38] [39] En la División de Energía de Fusión se llevan a cabo muchas investigaciones sobre el comportamiento y mantenimiento del plasma para mejorar la comprensión de la física del plasma , un área crucial para el desarrollo de una planta de energía de fusión. [38] [39] La oficina del ITER de EE. UU. está en ORNL con socios en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton y el Laboratorio Nacional de Savannah River . [40] La contribución de Estados Unidos al proyecto ITER es del 9,1% y se espera que supere los 1.600 millones de dólares durante todo el contrato. [41] [42] Los investigadores de ORNL participaron en el desarrollo de un extenso plan de investigación para la colaboración US-ITER detallado en 2022. [43]
La investigación biológica cubre ecología , silvicultura , [44] genómica , biología computacional , biología estructural y bioinformática . [45] El Programa de BioEnergía tiene como objetivo mejorar la eficiencia de todas las etapas del proceso de biocombustibles 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 realiza 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 Observatorio Ecológico (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 fuera de ORNL para monitorear la ecología forestal de los Apalaches y el dominio de la meseta de Cumberland de NEON. [44]
Hay dos fuentes de neutrones en ORNL; el Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR) y la Fuente de Neutrones de Espalación (SNS). HFIR proporciona neutrones en un haz estable resultante de una reacción nuclear constante , mientras que SNS, un acelerador de partículas, produce pulsos de neutrones. [53] [54] HFIR se volvió 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, HFIR proporciona el flujo de neutrones constante más alto del mundo como resultado de varias actualizaciones. [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 la vasija de presión del reactor no es segura para su uso continuo. [58]
El SNS tiene los pulsos de neutrones de mayor intensidad que cualquier fuente de neutrones creada por el hombre. [59] El SNS entró en funcionamiento en 2006 y desde entonces se ha actualizado a 1 megavatio con planes de continuar hasta 3 MW. [56] Los pulsos de neutrones de alta potencia permiten imágenes más claras de los objetivos, lo que significa que se pueden analizar muestras más pequeñas y los resultados precisos requieren menos pulsos. [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, denominado CF8C Plus, se basa en el acero inoxidable CF8C convencional al que se le ha añadido manganeso y nitrógeno ; el resultado tiene mejores propiedades a altas temperaturas y es más fácil de fundir a un costo similar. [61] En 2003, los socios recibieron un premio R&D 100 de la revista R&D y en 2009 recibieron un premio por "excelencia en transferencia de tecnología" del Consorcio Federal de Laboratorios para la comercialización del acero. [61]
En ORNL hay un laboratorio de materiales de alta temperatura que permite a investigadores de universidades, empresas privadas y otras iniciativas gubernamentales utilizar sus instalaciones. Como es el caso de 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; La investigación privada está permitida pero requiere pago. [62]
El Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos (CNMS) investiga el comportamiento y la fabricación de nanomateriales . El centro enfatiza el descubrimiento de nuevos materiales y la comprensión de las interacciones físicas y químicas subyacentes que permiten la creación de nanomateriales. [63] En 2012, CNMS produjo una batería de sulfuro de litio con una densidad de energía teórica de tres a cinco veces mayor que las baterías de iones de litio existentes . [64]
El Laboratorio Nacional Oak Ridge proporciona recursos al Departamento de Seguridad Nacional de EE. UU. y otros programas de defensa. El programa de Seguridad Global y No Proliferación (GS&N) desarrolla e implementa políticas, tanto estadounidenses como internacionales, para prevenir la proliferación de material nuclear. [65] El programa ha desarrollado salvaguardias para los arsenales nucleares, directrices para el desmantelamiento de los arsenales, planes de acción en caso de que el material nuclear caiga en manos no autorizadas, métodos de detección de material nuclear robado o desaparecido y comercio de material nuclear entre Estados Unidos y Rusia . [65] El trabajo de 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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A lo largo de la historia del Laboratorio Nacional de Oak Ridge ha sido sede de diversos superordenadores , albergando en varias ocasiones al más rápido. [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 tardó aproximadamente 590 microsegundos en realizar sumas o multiplicaciones de números enteros. [68] En la década de 1960, ORNL también 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 funcionó a 154 gigaFLOPS y ocupó el tercer lugar en la lista TOP500 de supercomputadoras. [67] [70] En 2005 se construyó Jaguar , un sistema basado en Cray XT3 que funcionó 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 Oak Ridge durante 2018, con un punto de referencia de 122,3 petaflops. En junio de 2020, Summit era la segunda supercomputadora [cronometrada] 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 frente a 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 (CCS) supervisa la informática 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 mayor parte del procesamiento, y se le cambió el nombre a Titan . Titan tuvo un rendimiento de 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 los datos que las máquinas más grandes generan en el Entorno de visualización exploratoria para la 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 perfeccionan y prueban en Smoky antes de ejecutarlos 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 software libre y se ha convertido en el estándar de facto para la informática 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 álgebra lineal y el método estándar para medir el rendimiento de punto flotante de una supercomputadora como lo utiliza la organización TOP500 . [67] [83]
