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從原子彈到超級計算機:美國國家實驗室係統
2020-05-25           作者:KnowHub知識加油站

美國能源部國家實驗室與技術中心是指在美國能源部監管之下的一係列研究設施和實驗室係統,目的是促進科學的研究和技術的進步,進而推動完成美國能源部的使命。 建立一個集中的國家實驗室係統的想法緣於美國第二次世界大戰中對科學新技術如:雷達、計算機、近炸引信和原子彈等新技術的迅猛發展需求。

從原子彈到超級計算機:美國國家實驗室係統
 

美國的國家實驗室係統是世界上最大的科研係統之一,集中的資金和智力資源使得美國的這些國家實驗室成為了大科學研究的典範。國家實驗室在軍事、學術、產業所構成的“鐵三角”中扮演著極為重要且影響深遠的角色。

1942年12月2日,在恩裏科·費米的領導下,世界上第一個可控核反應堆在芝加哥大學冶金實驗室建成(芝加哥1號堆,Chicago Pile-1),研究的成功最後促成了阿貢國家實驗室的建立。 1942年,隨著曼哈頓計劃的開始實施,美國麵對這個史無前例的的複雜科學研究工程,開始全麵協調整合全國的的科研機構: 1943年春,洛斯阿拉莫斯國家實驗室在新墨西哥州成立,代號“Y計劃(Project Y)”,由伯克利加州大學負責運行、設計研發原子彈,伯克利教授羅伯特·奧本海默作為實驗室首任主任。 1943年,橡樹嶺國家實驗室在田納西州成立,“克林頓工程師工程”啟動、由芝加哥大學負責運行,早期主要利用歐內斯特·勞倫斯發明的電磁同位素分離法來提純核燃料鈾-235,項目代號為“Y-12”。

這些實驗室在戰後,逐漸劃歸美國能源部管轄,成為美國國家科研係統的核心,也成為了美國基礎科學研究的重要力量。

從原子彈到超級計算機:美國國家實驗室係統
 

截止2017年,美國能源部共下轄17個國家實驗室:

- 國家能源技術實驗室

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  • 位於賓夕法尼亞州的匹茲堡,成立於1910年 國家能源技術實驗室(National Energy Technology Laboratory)縮寫為:NETL;屬於美國能源部的國家實驗室之一。主要是以研究科學、技術與能源為主;NETL開發的技術主要是以不影響自然環境的前提下,生產開采出可靠的礦物燃料。解決這些問題並生產出環保、幹淨的能源對於國家經濟的成長是極為重要的。NETL是美國唯一一所針對礦物燃料技術的國家實驗室。

勞倫斯伯克利國家實驗室

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  • 位於加利福尼亞州的伯克利,成立於1931年

勞倫斯伯克利國家實驗室,它坐落在加州大學伯克利分校的中心校園內,位於伯克利山的山頂;從事非絕密級的科學性研究。該實驗室現由美國能源部委托加州大學伯克利分校代為管理。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室

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  • 位於新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯,成立於1943年

洛斯阿拉莫斯國家實驗室(英語:Los Alamos National Laboratory;前稱“Y計劃”、洛斯阿拉莫斯實驗室、洛斯阿拉莫斯科學實驗室),簡稱LANL,是美國承擔核子武器設計工作的兩個國家實驗室之一,另一個是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室。 洛斯阿拉莫斯國家實驗室建立於1943年曼哈頓計劃期間,最初負責原子彈的製造、由伯克利加州大學負責管理,首任主任是“原子彈之父”羅伯特·奧本海默

橡樹嶺國家實驗室

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  • 位於田納西州的橡樹嶺,成立於1943年 橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory - 縮寫為ORNL)是美國能源部所屬的一個大型國家實驗室,位於田納西州橡樹嶺。此實驗室成立於1943年,最初是作為曼哈頓計劃的一部分,以生產和分離鈾和鈈為主要目的建造的,原稱克林頓實驗室。2000年4月以後由田納西大學和Battelle紀念研究所共同管理。


 

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橡樹嶺國家實驗室,也擁有美國最強大的超級計算機:Summit

阿貢國家實驗室

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  • 位於伊利諾伊州的杜佩奇縣,成立於1946年

埃姆斯實驗室

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  • 位於愛荷華州的埃姆斯,成立於1947年

埃姆斯實驗室(英語:Ames Laboratory),美國能源部下屬的國家實驗室,位於艾奧瓦州的埃姆斯,附屬於愛荷華州立大學。實驗室致力於新材料的設計、合成與製備;材料的表征;計算化學;凝聚體物理學理論等方麵的研究。實驗室位於愛荷華州立大學的校園內。

布魯克黑文國家實驗室

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  • 位於阿普頓,紐約州,成立於1947年

桑迪亞國家實驗室

-位於新墨西哥州的阿爾伯克基和加利福尼亞州的利弗莫爾,成立於1948年 桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories,SNL),現由桑迪亞國家技術和工程解決方案(霍尼韋爾所有的一個子公司)管理和運營,是美國國家核安全局(National Nuclear Security Administration)下屬的三個研究發展實驗室之一。

實驗室的主要目標是核武器非核部分的發展測試。主實驗室位於新墨西哥州的阿布奎基的科特蘭空軍基地,另一個位於加州的利弗莫爾,在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的旁邊。 世界上最大的X射線發生器——Z脈衝功率設施(Z機)也位於桑迪亞國家實驗室。Z機被用於極端溫度與壓強之下的材料測試;收集的數據可用於輔助核武器研發的計算機模擬。

愛達荷國家實驗室

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  • 位於愛達荷州的阿科和愛達荷福爾斯的交界處,成立於1949年

普林斯頓等離子體物理實驗室

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  • 位於新澤西州的普林斯頓,成立於1951年

普林斯頓等離子體物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory,PPPL)是一個研究等離子體物理學與核聚變的美國能源部國家實驗室。實驗室主要的工作是研究聚變能作為能源的發展和應用。

勞倫斯利弗摩爾國家實驗室

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  • 位於加利福尼亞州的利弗莫爾,成立於1952年 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(英語:Lawrence Livermore National Laboratory,縮寫:LLNL)為美國能源部所屬的國家研究機構,位於加利福尼亞州利弗莫爾。該實驗室1952年由伯克利加州大學建立,原為勞倫斯伯克利國家實驗室的分支實驗室,1971年成為獨立實驗室、歸加州大學管轄。 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室與洛斯阿拉莫斯國家實驗室是美國的兩個為了核武器設計而建立的國家實驗室。

薩凡納河國家實驗室

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  • 位於南卡羅來納州的艾肯,成立於1952年 薩凡納河國家實驗室的研究方向包括環境整治、氫經濟技術、危險物質處理和防止核武器擴散的技術。在冷戰期間,實驗室在支援氚和鈈的生產中積累了一係列將核廢料玻璃化和氫氣儲存的特殊經驗。

SLAC國家加速器實驗室

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  • 位於加利福尼亞州的門洛帕克,成立於1962年 SLAC國家加速器實驗室(英文:SLAC National Accelerator Laboratory),原名斯坦福直線加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center),是美國能源部所屬的國家實驗室,在能源部的方案下由斯坦福大學指揮運作。 實驗室的主要研究方向有運用電子束進行基本粒子物理的實驗及理論研究、原子物理、固態物理、使用同步輻射光源的化學、生物以及醫學研究。

西北太平洋國家實驗室

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  • 位於華盛頓州的裏奇蘭,成立於1965年 西北太平洋國家實驗室(英語:Pacific Northwest National Laboratory ,簡稱:PNNL),創建於1965年,位於美國華盛頓州東部哥倫比亞河和亞基馬河交界的沙漠地帶,在第二次世界大戰“曼哈頓工程”裏生產美國原子彈核材料的漢福德基地(Hanford Site)的基礎上建成。PNNL最初的任務是接管曼哈頓計劃遺留設施及核廢棄物處理及其相關研究,20世紀80年代末開始從事整個基礎科學研究.

費米國立加速器實驗室

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  • 位於伊利諾伊州的巴達維亞,成立於1967年 費米國立加速器實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory,縮寫為Fermilab或FNAL),簡稱費米實驗室,是隸屬於美國能源部的一所國家實驗室,位於美國伊利諾斯州巴達維亞附近的草原上。 費米實驗室是美國最重要的物理研究機構之一,其主要探索領域為高能物理學,擁有世界上第二高能量的粒子加速器,僅次於歐洲核子研究組織的大型強子對撞機。此外,費米實驗室在微中子的探索方麵亦有卓越的成就

國家可再生能源實驗室

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  • 位於科羅拉多州的戈爾登,成立於1977年 國家可再生能源實驗室(英語:National Renewable Energy Laboratory簡稱NREL),位於美國科羅拉多州戈爾登,是專門從事可再生能源和能源效率的研究和開發的機構。 NREL還國家光伏中心之下開展太陽能光電 (PV)的研究。 因此NREL在光伏發電領域具有不小的研究實力,包括研究、開發、測試和部署。 NREL的研究基地內有多個設施專門用於光伏研究。

托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置

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  • 位於弗吉尼亞州的紐波特紐斯,成立於1984年 托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置(英語:TJNAF, Thomas Jefferson National Accelerator Facility),常被稱作“傑斐遜實驗室”或者“JLab”,是一個位於弗吉尼亞州紐波特紐斯(Newport News)的美國能源部國家實驗室。自2006年6月1日起,傑斐遜實驗室由東南部大學研究協會和 PAE 應用技術(PAE Applied Technologies)共同創建的傑斐遜科學協會有限公司(Jefferson Science Associates, LLC)運營。傑斐遜實驗室在1996年之前曾被稱作“連續電子束加速器設施(Continuous Electron Beam Accelerator Facility,CEBAF)

美國能源部在國家實驗室投入的資金占美國國內對物理、化學、材料科學以及物理科學的其他領域研究的總投資的40%以上。一些國家實驗室是由私營企業管理的,也有由研究型大學運營的實驗室。這種理念在一定程度上,可以很好的把研究方向與產業應用相結合,成為了美國科研係統最重要的一環。

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