オークリッジ国立研究所

オークリッジ国立研究所
2014年のORNLメインキャンパスの航空写真
モットー「大きな問題を解決する」[ 1 ]
設立1943 （1943年）
研究の種類学際的
予算24億ドル
研究分野
監督スティーブン・ストライファー
スタッフ5,700
位置オークリッジ、テネシー州、アメリカ合衆国北緯35.93°、西経84.31°北緯35度56分 西経84度19分 / / 35.93; -84.31
キャンパスORNLは、約35,000エーカー（140 km 2）のオークリッジ保護区のうち約10,000エーカー（40 km 2 ）を占めています。
所属米国エネルギー省（DOE）
運営機関
UT–バテル
Webサイトornl.gov
地図
オークリッジ国立研究所はテネシー州にあります
オークリッジ国立研究所
テネシー州内の場所
[ 2 ]

オークリッジ国立研究所（ORNL）は、アメリカ合衆国テネシー州オークリッジにある連邦政府出資の研究開発センターです。1943年に設立され、米国エネルギー省の支援を受け、 UT-Battelle, LLCによって運営されています。[ 3 ]

ORNLは1943年に設立され、エネルギー省システムの中で規模では最大の科学・エネルギー国立研究所であり[ 4 ]、年間予算では3番目に大きい。[ 5 ]オークリッジのローン郡セクションに位置する。[ 6 ] [ 7 ]科学プログラムは、材料、原子核科学、中性子科学、エネルギー、高性能コンピューティング、環境科学、システム生物学、国家安全保障に重点を置いており、テネシー州、大学、その他の業界と提携していることもある。

ORNLは、TOP500ランキングで世界第2位の性能を誇るFrontierをはじめ、世界トップクラスのスーパーコンピュータを複数保有しています。同研究所は、核破砕中性子源、高中性子束同位体炉、ナノ相材料科学センターなどを含む中性子および原子力エネルギーの研究施設です。

概要

オークリッジ国立研究所は、テネシー大学とバテル記念研究所が共同で設立した有限責任事業組合（LT-Battelle）[8]によって運営されている。[ 9 ]年間予算は24億米ドルである。2021年現在、ORNLには5,700人の職員が勤務しており、そのうち約2,000人は科学者とエンジニアであり、[ 10 ]さらに年間3,200人の客員研究員が勤務している。[ 11 ]

米国エネルギー省のオークリッジ保留地には、国立研究所、Y-12国家安全保障複合施設、イーストテネシーテクノロジーパーク（旧オークリッジ気体拡散プラント）、オークリッジ科学教育研究所、開発中のオークリッジ科学技術パークの5つのキャンパスがあるが、他の4つの施設は国立研究所とは無関係である。[ 12 ] [ 13 ]保留地の総面積は150平方キロメートル（58平方マイル）で、そのうち研究所は18平方キロメートル（7平方マイル）を占めている。[ 14 ] [ 15 ]

歴史

1943年、作業員がX-10グラファイト原子炉（現在は国定歴史建造物）にウランの塊を積み込んでいる様子

1934年、後期ウッドランド期の考古学遺跡と古墳であるフリールファームマウンド遺跡が発掘されました。[ 16 ]現在、この遺跡はメルトンヒル湖に浸水しています。[ 17 ]

オークリッジ市は、マンハッタン計画の一環として、1942年に陸軍工兵隊によってクリントン工兵工場の一部として隔離された農地に設立されました。[ 18 ]第二次世界大戦中、政府の高度な研究はシカゴ大学の冶金研究所によってこの場所で管理されていました。[ 19 ] 1943年に、後にオークリッジ国立研究所として知られるクリントン研究所の建設が完了しました。[ 18 ] [ 20 ]この場所は、天然ウランからプルトニウムを生産するために使用されるX-10黒鉛炉に選ばれました。エンリコ・フェルミと彼の同僚は、フェルミの前の実験であるシカゴ・パイル-1に続いて、世界で2番目の自立型原子炉を開発した。X -10は連続運転用に設計された最初の原子炉でした。[ 21 ]

第二次世界大戦終結後、研究所の管理は米国政府からモンサント社に委託されたが、同社は1947年に撤退した。[ 22 ]シカゴ大学が一時的に責任を再開し、この施設は名誉ある「国立」研究所の指定を受けたが、1947年12月、オークリッジで既に2つの施設を運営していたユニオン・カーバイド・アンド・カーボン社が研究所の管理を引き継ぎ、施設名をオークリッジ国立研究所（ORNL）に変更した。[ 20 ] [ 22 ] [ 23 ]

戦後、軍事科学の需要は劇的に減少し、研究所の将来は不透明でした。X-10原子炉と研究所の1,000人の従業員は、もはや核兵器には関与していませんでした。[ 18 ] [ 22 ]代わりに、科学研究に使用されました。[ 21 ] 1946年に最初の医療用同位体がX-10原子炉で製造され、1950年までに約20,000のサンプルがさまざまな病院に送られました。[ 21 ] [ 22 ] X-10で医療用に製造された放射性核種の量と種類は、 1950年代に着実に増加しました。ORNLはカリホルニウム252の唯一の西側諸国の供給源でした。[ 22 ] ORNLの科学者たちは、免疫系を抑制することでマウスで世界初の骨髄移植も成功させました。[ 22 ]

溶融塩炉実験の核心

1950年にオークリッジ原子炉技術学校が設立され、原子炉の運転と安全性に関する2つのコースが設けられ、1,000人近い学生が卒業した。[ 22 ] 1950年代にORNLで行われた研究の多くは、推進力と電力の両方のためのエネルギー生産の一形態としての原子炉に関連していた。1950年代に建設された原子炉の数は、ORNLの残りの歴史全体よりも多かった。[ 22 ]最も影響力のあるプロジェクトの1つは、多くの現代の原子力発電所の前身である軽水炉だった。米 軍は、原子力潜水艦と米海軍の艦艇の開発に多額の資金を提供した。[ 22 ]米陸軍はまた、1953年に遠隔地の軍事基地での熱と電力の生成のために、可搬式原子炉の設計を請け負った。[ 24 ] [ 22 ] アメリカ空軍はまた、3基の原子炉、研究所初のコンピューター、そして同研究所初の粒子加速器に資金を提供した。[ 22 ] ORNLは1954年に長距離爆撃機群の構想の概念実証として最初の溶融塩原子炉を建造したが、結局使用されることはなかった。[ 22 ] [ 24 ]

ケイシー・ペンテコスト、リンドン・B・ジョンソン、ビュフォード・エリントン、アルバート・ゴア・シニアが、1958年10月19日にオークリッジの熱室で機械の手を操作している。

アルビン・M・ワインバーグがORNLの研究部長に任命され、1955年には研究所長にも就任した。[ 22 ] [ 23 ] 1960年代初頭、ORNLでは砂漠と海の出会う場所に水を供給するために原子力淡水化プラントを開発する大きな動きがあった。「平和のための水」と呼ばれるこのプロジェクトは、ジョン・F・ケネディとリンドン・B・ジョンソンの支持を受け、1964年の国連会議で発表されたが、建設費の高騰と原子力に対する国民の信頼の低下により、計画は中止された。[ 22 ] [ 24 ] 1962年に建設された健康物理研究炉は、放射線曝露実験に使用され、より正確な線量限度と線量計、および放射線遮蔽の改善につながった。[ 22 ]

1964年、溶融塩炉実験が原子炉の建設とともに開始されました。この炉は1966年から1969年まで（U-235燃料からU-233燃料への切り替えのため6ヶ月の休止期間を挟んで）運転され、溶融塩炉の実現可能性を証明するとともに、その反応の副産物として他の原子炉用の燃料も生産しました。[ 22 ] 1965年に建設された高中性子束同位体炉は、当時の原子炉の中で最も高い中性子束を誇りました。 [ 22 ]この炉はX-10原子炉の性能を向上し、より多くの医療用同位体を生産するとともに、より忠実度の高い材料研究を可能にしました。[ 22 ]生物学部門の研究者たちは、ガソリン、農薬、タバコなどの化学物質がマウスに与える影響を研究しました。[ 22 ]

初期のトカマクであるORMAKの内部は反射率を高めるために金メッキされていた。

1960年代後半には資金削減により新たな粒子加速器の建設計画が中止され、米国原子力委員会は増殖炉プログラムを3分の2に削減したため、スタッフは5,000人から3,800人に削減された。[ 22 ] 1970年代には核融合発電の見通しが強く意識され、ORNLでの研究が活発化した。 1971年に稼働を開始したORMAKと呼ばれるトカマクは、2000万ケルビンのプラズマ温度を達成した最初のトカマクであった。[ 25 ]核融合実験の成功後、1973年に拡張されORMAK IIと改名されたが、実験は最終的に核融合発電所の実現には至らなかった。[ 22 ]

1958年10月19日、オークリッジ国立研究所でグラファイト原子炉の模型を見ているS.R.サピリー、アルバート・ゴア上院議員、リンドン・ジョンソン上院議員、ジョン・スワートウト博士

米国原子力委員会（AEC）は1970年代初頭に原子炉の安全基準の改善を要求したため、ORNLのスタッフは燃料輸送や耐震性など多くの要素を網羅する約100の要件を作成した。1972年にAECは一連の公聴会を開催し、緊急冷却要件が強調され、安全要件はより厳格になった。[ 22 ]また1972年には、ORNLの生物学者ピーター・マズールがマウスの胚を液体窒素で凍結し、解凍して代理母に移植した。マウスの子は健康に生まれた。[ 22 ]この技術は畜産業界で人気があり、貴重な牛の胚の輸送が容易になり、優秀な牛から複数の卵子を採取して体外受精により自然に可能な数よりも多くの子孫を残すことができる。[ 22 ]

1974年、19年間研究所所長を務めたアルヴィン・ワインバーグの後任として、核融合科学者のハーマン・ポストマが就任した。 [ 22 ] 1977年、核融合反応を制御することを目的とした6メートル（20フィート）の超伝導電磁石の建設が開始された。このプロジェクトは国際的な取り組みであり、3つの電磁石が米国、1つが日本、1つがスイスで、残りは残りのヨーロッパ諸国で製造された。[ 22 ]オークリッジ国立研究所は、 1979年の事故後、スリーマイル島原子力発電所の炉心の損傷の分析に携わった。[ 22 ]

1980年代にはORNLにさらなる変化がもたらされ、効率性への重点が最優先事項となりました。加速気候シミュレーション室が建設され、断熱材にさまざまな気象条件を適用して、実時間よりも速くその有効性と耐久性を試験しました。[ 22 ] 1950年代の原子炉で始まった材料研究を基に、トラックやハイテク車のエンジンに使用するための耐熱セラミックの材料研究が行われました。 [ 22 ] 1987年には高温材料研究所が設立され、ORNLと産業界の研究者がセラミックおよび合金のプロジェクトで協力しました。レーガン大統領の政府支出削減政策に関する当初の不確実性の後、ORNLの材料研究予算は倍増しました。 [ 22 ] 1981年には、25MV粒子加速器であるホリフィールド重イオン研究施設がORNLに開設されました。当時、ホリフィールドは最も幅広いイオン種に対応し、他の加速器の2倍のパワーを誇り、毎年数百人の客員研究者を惹きつけていました。[ 22 ]

エネルギー省はORNL周辺の汚染を懸念し、浄化活動を開始した。埋設溝や漏洩したパイプが研究所の地下水を汚染し、放射能タンクは廃棄物で満たされたまま放置されていた。浄化費用は総額数億ドルに上ると推定された。[ 22 ] 5基の旧型原子炉は1987年に安全性審査を受け、審査が完了するまで停止するよう命じられた。高中性子束同位体原子炉が再稼働した1989年までに、米国における医療用同位体の供給は枯渇した。[ 22 ] 1989年、アメリカ科学振興協会の元事務局長アルビン・トリベルピースがORNLの所長に就任し、2000年までその職を務めた。[ 22 ]

1992年、内部告発者のチャールズ・ヴァルナドールは、ORNLに対し、安全規則違反と上司による報復行為を訴えて苦情を申し立てました。行政法判事はヴァルナドールに有利な判決を下しましたが、ロバート・ライシュ労働長官はこの判決を覆しました。しかし、ヴァルナドールの事件では、元請け業者のマーティン・マリエッタが安全規則違反で告発され、最終的にエネルギー省内で内部告発者保護が強化されました。[ 26 ]

2019年1月、ORNLはプルトニウム238の生産を自動化する能力において大きな進歩を発表し、これにより年間生産量が50グラムから400グラムに増加し、NASAが宇宙探査プログラムを維持するために2025年までに年間1.5キログラムという目標に近づきました。[ 27 ]

研究分野

ORNLは、幅広い科学分野にまたがる研究開発活動を行っています。多くの研究分野は互いに大きく重複しており、研究者はここに挙げた分野の2つ以上に携わっている場合も少なくありません。以下に、当研究所の主要な研究分野について簡単に説明します。

エネルギー

この研究所はエネルギー研究の長い歴史を持ち、1945年の第二次世界大戦終結以来、原子炉実験が行われてきました。原子炉と高性能コンピューティングリソースが利用可能であることから、原子炉の効率向上に重点が置かれています。[ 31 ] [ 32 ]プログラムでは、より効率的な材料、老朽化し​​た原子炉の炉心、センサー、制御装置のより正確なシミュレーション、規制当局向けの安全手順の開発が行われています。[ 32 ]

エネルギー効率・電力技術プログラムは、米国の大気質の改善と外国の石油供給への依存度の低減を目的としています。[ 33 ]研究分野は主に電力、製造、モビリティの3つです。電力部門は、電力消費量の削減と代替生産源の開拓に重点を置いています。2012年時点で米国の電力消費量の39%を占める建物は、手頃な価格でカーボンニュートラルな住宅の創出を目指すこのプログラムの重要な研究分野です。[ 34 ]また、高効率ソーラーパネル、地熱発電と暖房、低コストの風力発電機、水力発電所の経済的・環境的実現可能性についても研究が行われています。[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

核融合エネルギー部門は、短期的な目標として、高温超伝導体、高速水素ペレットインジェクター、将来の核融合研究に適した材料などのコンポーネントの開発に取り組んでいます。[ 38 ] [ 39 ]核融合エネルギー部門では、核融合発電所の開発に不可欠な領域であるプラズマ物理学の理解を深めるために、プラズマの挙動と維持に関する多くの研究が行われています。 [ 38 ] [ 39 ]米国のITERオフィスは、プリンストンプラズマ物理研究所とサバンナリバー国立研究所とともに、ORNLにあります。[ 40 ] ITERプロジェクトに対する米国の貢献は9.1％で、契約期間中に16億ドルを超えると予想されています。[ 41 ] [ 42 ] ORNLの研究者は、2022年に詳述された米国とITERの協力に関する広範な研究計画の策定に参加しました。 [ 43 ]

生物学

生物学研究は、生態学、林業、[ 44 ]ゲノミクス、計算生物学、構造生物学、バイオインフォマティクスをカバーしています。[ 45 ]バイオエネルギープログラムは、米国のエネルギー安全保障を向上させるために、バイオ燃料プロセスのすべての段階の効率を改善することを目指しています。 [ 46 ]このプログラムは、使用される潜在的なバイオマスの遺伝的改良、[ 47 ]多様な燃料を受け入れることができる製油所の方法を策定し、発電所と最終ユーザーの両方へのエネルギー供給の効率を改善することを目指しています。[ 48 ] [ 49 ]

分子生物物理学センターは、様々な条件下での生体分子の挙動を研究しています。センターでは、バイオ燃料生産のための細胞壁の調査、 [ 50 ] 、中性子散乱を用いたタンパク質の折り畳み構造の解析、従来型および量子型スケールでの触媒作用の効果のシミュレーションなどのプロジェクトを主催しています。[ 51 ] [ 52 ] ORNLは、国立生態観測ネットワーク（NEON）のフィールドサイトを擁しており、NEONは近隣にフィールドオフィスを構えています。エネルギー省は、 ORNLを拠点とするテネシー州野生生物資源局と緊密に連携し、NEONのアパラチア山脈およびカンバーランド高原地域周辺の森林生態系を監視しています。[ 44 ]

中性子科学

ORNLには、高中性子束同位体原子炉（HFIR）と核破砕中性子源（SNS）の2つの中性子源があります。HFIRは一定の核反応から生じる安定したビームで中性子を提供しますが、粒子加速器であるSNSは中性子のパルスを生成します。[ 53 ] [ 54 ] HFIRは1965年に臨界に達し、それ以来、材料研究や医療用放射性同位体の主要な供給源として使用されてきました。[ 55 ] 2013年現在、HFIRはさまざまなアップグレードの結果、世界最高の一定の中性子束を提供しています。 [ 56 ]テネシンを初めて合成するために使用されたバークリウム249は、国際的な取り組みの一環としてHFIRで生成されました。 [ 57 ] HFIRは、原子炉圧力容器が継続使用に安全でないと判断される約2060年まで稼働する可能性があります。 [ 58 ]

SNSは、人工中性子源の中で最も強度の高い中性子パルスを発生します。[ 59 ] SNSは2006年に稼働を開始し、その後1メガワットにアップグレードされ、3MWまで継続してアップグレードする計画があります。[ 56 ]高出力中性子パルスにより、ターゲットのより鮮明な画像が得られるため、より小さなサンプルを分析でき、より少ないパルスで正確な結果が得られます。[ 60 ]

材料

ORNLの先端顕微鏡研究所

2002年から2008年にかけて、ORNLはキャタピラー社と提携し、ディーゼルエンジン用の大きな温度変動に耐えられる新しい鋼材を開発しました。[ 61 ] CF8C Plusと名付けられたこの新素材は、従来のCF8Cステンレス鋼にマンガンと窒素を添加したもので、高温特性が向上し、鋳造も容易になりましたが、コストは同等です。[ 61 ] 2003年にはR&D誌からR&D 100賞を受賞し、2009年にはこの鋼材の商業化により連邦研究所コンソーシアムから「技術移転における優秀性」賞を受賞しました。[ 61 ]

ORNLには高温材料研究室があり、大学、民間企業、その他の政府機関の研究者が施設を利用できます。他の指定利用者施設と同様に、高温材料研究室の資源は、研究成果が公表されれば無料で利用できます。民間研究は許可されていますが、費用がかかります。[ 62 ]

ナノ相材料科学センター（CNMS）は、ナノ材料の挙動と製造を研究しています。センターは、新材料の発見と、ナノ材料の創出を可能にする物理的・化学的相互作用の理解に重点を置いています。[ 63 ] 2012年、CNMSは既存のリチウムイオン電池の3～5倍の理論エネルギー密度を持つ硫化リチウム電池を開発しました。[ 64 ]

安全

ORNLは、米国国土安全保障省およびその他の防衛プログラムにリソースを提供しています。地球安全保障および不拡散（GS&N）プログラムは、核物質の拡散を防止するための米国内および国際的な政策を策定および実施しています。[ 65 ]このプログラムは、核兵器の保障措置、核兵器解体のガイドライン、核物質が許可のない者の手に渡った場合の行動計画、盗難または行方不明の核物質の検出方法、米国とロシア間の核物質の取引を開発しました。[ 65 ] GS&Nの仕事は国土安全保障プログラム局の仕事と重複しており、核物質の検出と不拡散ガイドラインを提供しています。国土安全保障省に関連するその他の分野には、核および放射線鑑識、質量分析法を使用した化学兵器および生物兵器の検出、潜在的な国家的災害のシミュレーションなどがあります。[ 66 ]

高性能コンピューティング

ORNLで開発されたSummitは、 2018年11月から2020年6月まで世界最速のスーパーコンピューターだった。

ORNL にはさまざまなスーパーコンピュータが設置されており、最高速のスーパーコンピュータが何度も誕生しました。[ 67 ] 1953 年、ORNL はアルゴンヌ国立研究所と提携して、原子核物理学、化学、生物学、工学の研究を目的としたコンピュータORACLE (Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine)を構築しました。 [ 24 ] [ 67 ] [ 68 ] ORACLE は 2048 ワード(80 キビット) のメモリを搭載し、整数の加算または乗算に約 590 マイクロ秒かかりました。[ 68 ] 1960 年代には、ORNL にはIBM 360/91と IBM 360/65 が導入されました。[ 69 ] 1995 年、ORNL はIntel ParagonベースのコンピュータであるIntel Paragon XP/S 150を購入しました。これは 154 ギガ FLOPS の性能を発揮し、スーパーコンピュータのTOP500リストで 3 位[ 67 ] [ 70 ] 2005年にCray XT3ベースのシステムであるJaguarが構築され、25テラFLOPSで動作し、 2009年に2.3ペタFLOPSで動作するXT5プラットフォームまで段階的にアップグレードされました。2009年11月から2010年11月まで世界最速として認められました。[ 71 ] [ 72 ] Summitは2018年にオークリッジ国立研究所向けに構築され、ベンチマークで122.3ペタFLOPSを記録しました。2020年6月の時点で、Summitは202,752個のCPUコア、27,648個のNvidia Tesla GPU 、250ペタバイトのストレージを備えた世界で2番目に速いスーパーコンピュータでしたが、日本の富岳スーパーコンピュータにトップの座を奪われました。[ 73 ] 2022年5月、ORNLフロンティアシステムはエクサスケールの壁を破り、[ 74 ] 8,730,112個のコアを使用して1.102エクサフロップス/秒を達成しました。

1992年以来、計算科学センターがORNLのハイパフォーマンスコンピューティングを監督してきました。同センターは、マシンを含むオークリッジリーダーシップコンピューティング施設を管理しています。 [ 75 ] 2012年に、Jaguarは、処理の大部分にGPUが使用されるという根本的な変更であるXK7プラットフォームにアップグレードされ、 Titanに名前が変更されました。 Titanは17.59ペタFLOPSで動作し、2012年11月のTOP500リストで1位を獲得しました。[ 76 ]その他のコンピュータには、35メガピクセルの投影を表示する10×3メートル（30×10フィート）の壁を備えた視覚化ルームである科学技術研究のための探究的視覚化環境（EVEREST）で大型マシンが出力するデータを視覚化するための77ノードのクラスタがあります。[ 77 ] [ 78研究プロジェクトは、Titanなどの大型マシンで実行される前に、Smokyで改良され、テストされます。[ 79 ]

1989年にオークリッジ国立研究所のプログラマーが、異なる仕様のマシン上で分散コンピューティングを可能にするソフトウェアである並列仮想マシン（PVM）の最初のバージョンを作成しました。 [ 80 ] PVMはフリーソフトウェアであり、分散コンピューティングの事実上の標準となっています。[ 81 ] [ 82 ]オークリッジ国立研究所とテネシー大学のジャック・ドンガラは、線形代数の計算に使用されるLINPACKソフトウェアライブラリとLINPACKベンチマークを作成しました。また、TOP500組織で使用されるスーパーコンピュータの浮動小数点パフォーマンスの標準的な測定方法も作成しました。[ 67 ] [ 83 ]

研究室長

オークリッジ国立研究所の所長を務めた人物は以下の通りである。[ 84 ]

いいえ。画像 監督 学期開始 学期末 参照
1 マーティン・D・ウィテカー1943 1945
2 ジェームズ・ラム 1945 1947
3 プレスコット・サンディッジ 1947 1948
4 ネルソン・ラッカー 1948 1950
5 クラレンス・ラーソン1950 1955
6 アルヴィン・M・ワインバーグ1955 1973
7 フロイド・カラー 1973 1974
8 ハーマン・ポストマ1974 1988
暫定 アレックス・ザッカー 1988 1989 [ 85 ]
9 アルヴィン・トリベルピース1989年1月1日 2000年3月31日 [ 86 ] [ 87 ]
10 ウィリアム・マディア2000年4月1日 2003 [ 88 ] [ 89 ]
11 ジェフ・ワズワース 2003年8月1日 2007年6月30日 [ 90 ] [ 91 ]
12 トーマス・メイソン2007年7月1日 2017年6月30日 [ 92 ] [ 93 ]
13 トーマス・ザカリア2017年7月1日 2022年12月31日 [ 94 ] [ 95 ]
14 スティーブン・ストライファー2023年10月16日 現在 [ 96 ] [ 97 ]

著名人

参照

注釈と参考文献

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