Laboratorio Nacional de Argonne

Vista aérea del Laboratorio Nacional Argonne

Argonne National Laboratory es un centro de investigación y desarrollo financiado con fondos federales en Lemont, Illinois, Estados Unidos. Fundado en 1946, el laboratorio ahora está patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos y administrado por UChicago Argonne LLC de la Universidad de Chicago. La instalación es el laboratorio nacional más grande por tamaño y alcance en el Medio Oeste.

Argonne tuvo sus inicios en el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, formado en parte para llevar a cabo el trabajo de Enrico Fermi sobre reactores nucleares para el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial. Después de la guerra, fue designado como el primer laboratorio nacional en los Estados Unidos el 1 de julio de 1946. En la era de la posguerra, el laboratorio se centró principalmente en la física nuclear no relacionada con las armas, diseñando y construyendo los primeros reactores nucleares productores de energía., ayudando a diseñar los reactores utilizados por los Estados Unidos' marina nuclear, y una amplia variedad de proyectos similares. En 1994, la misión nuclear del laboratorio finalizó y, aunque continúa apoyando muchos tipos de investigación en ciencia y tecnología nuclear, también mantiene una amplia cartera en investigación en ciencia básica, almacenamiento de energía y energía renovable, sostenibilidad ambiental, supercomputación, y seguridad nacional.

UChicago Argonne, LLC, el operador del laboratorio, "reúne la experiencia de la Universidad de Chicago (el único miembro de la LLC) con Jacobs Engineering Group Inc." Argonne es parte del Corredor de Investigación y Tecnología de Illinois en expansión. Argonne anteriormente dirigía una instalación más pequeña llamada Argonne National Laboratory-West (o simplemente Argonne-West) en Idaho junto al Laboratorio Nacional de Ingeniería y Medio Ambiente de Idaho. En 2005, los dos laboratorios con sede en Idaho se fusionaron para convertirse en el Laboratorio Nacional de Idaho.

Resumen

Argonne tiene cinco áreas principales de enfoque. Estos objetivos, según lo establecido por el DOE en 2008, consisten en:

• Realización de investigaciones científicas básicas;
• Funcionamiento de las instalaciones científicas nacionales;
• Mejorar los recursos energéticos de la nación;
• Desarrollar mejores formas de gestionar los problemas ambientales;
• Protección de la seguridad nacional.

Historia

Albert Crewe (derecha), el tercer director de Argonne, está al lado del generador Cockcroft-Walton de Zero Gradient Synchrotron.

Lo que se convertiría en Argonne comenzó en 1942 como el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, que se había convertido en parte del Proyecto Manhattan. Met Lab construyó Chicago Pile-1, el primer reactor nuclear del mundo, bajo las gradas del estadio deportivo de la Universidad de Chicago. Considerado inseguro, en 1943, el CP-1 fue reconstruido como CP-2, en lo que hoy se conoce como Red Gate Woods, pero entonces era el Bosque Argonne en el Distrito de Reserva Forestal del Condado de Cook, cerca de Palos Hills. El laboratorio recibió su nombre del bosque circundante, que a su vez recibió el nombre del Bosque de Argonne en Francia, donde las tropas estadounidenses lucharon en la Primera Guerra Mundial. La pila de Fermi se iba a construir originalmente en el bosque de Argonne, y los planes de construcción se pusieron en marcha, pero un conflicto laboral detuvo el proyecto. Dado que la velocidad era primordial, el proyecto se trasladó a la cancha de squash debajo de Stagg Field, el estadio de fútbol en el campus de la Universidad de Chicago. Fermi les dijo que estaba seguro de sus cálculos, que decían que no daría lugar a una reacción desbocada, que habría contaminado la ciudad.

Se agregaron otras actividades a Argonne durante los siguientes cinco años. El 1 de julio de 1946, el "Laboratorio Metalúrgico" fue formalmente reconstituido como Laboratorio Nacional de Argonne para "investigación cooperativa en nucleónica". A pedido de la Comisión de Energía Atómica de EE. UU., comenzó a desarrollar reactores nucleares para el programa pacífico de energía nuclear de la nación. A fines de la década de 1940 y principios de la de 1950, el laboratorio se mudó a una ubicación más grande en el condado no incorporado de DuPage, Illinois, y estableció una ubicación remota en Idaho, llamada "Argonne-West," para llevar a cabo más investigaciones nucleares.

En rápida sucesión, el laboratorio diseñó y construyó Chicago Pile 3 (1944), el primer reactor moderado de agua pesada del mundo, y el Experimental Breeder Reactor I (Chicago Pile 4), construido en Idaho, que encendió una cadena de cuatro bombillas con la primera electricidad generada por energía nuclear del mundo en 1951. El reactor de la central eléctrica BWR, ahora el segundo diseño más popular en todo el mundo, proviene de los experimentos BORAX. Puede ver una lista completa de los reactores diseñados y, en la mayoría de los casos, construidos y operados por Argonne en "Reactores diseñados por Argonne" página.

El conocimiento obtenido de los experimentos de Argonne realizados con estos reactores 1) formó la base para los diseños de la mayoría de los reactores comerciales que se utilizan actualmente en todo el mundo para la generación de energía eléctrica y 2) informan los diseños actuales en evolución de los reactores de metal líquido para futuras centrales eléctricas comerciales.

Al realizar investigaciones clasificadas, el laboratorio estaba muy protegido; todos los empleados y visitantes necesitaban credenciales para pasar un punto de control, muchos de los edificios estaban clasificados y el laboratorio en sí estaba cercado y vigilado. Tal atractivo secreto atrajo a visitantes autorizados, incluidos el rey Leopoldo III de Bélgica y la reina Federica de Grecia, y no autorizados. Poco después de la 1 a. m. del 6 de febrero de 1951, los guardias de Argonne descubrieron al reportero Paul Harvey cerca de la cerca perimetral de 3 m (10 pies), con su abrigo enredado en el alambre de púas. Al registrar su automóvil, los guardias encontraron una transmisión de cuatro páginas previamente preparada que detallaba la saga de su entrada no autorizada a una "zona caliente" clasificada. Fue llevado ante un gran jurado federal por cargos de conspiración para obtener información sobre seguridad nacional y transmitirla al público, pero no fue acusado.

Sin embargo, no toda la tecnología nuclear se destinó al desarrollo de reactores. Mientras diseñaba un escáner para elementos combustibles de reactores en 1957, el físico de Argonne William Nelson Beck metió su propio brazo dentro del escáner y obtuvo una de las primeras imágenes de ultrasonido del cuerpo humano. Los manipuladores remotos diseñados para manejar materiales radiactivos sentaron las bases para máquinas más complejas utilizadas para limpiar áreas contaminadas, laboratorios sellados o cuevas. En 1964, el "Janus" Se inauguró un reactor para estudiar los efectos de la radiación de neutrones en la vida biológica, proporcionando investigaciones para establecer pautas sobre niveles de exposición seguros para los trabajadores de centrales eléctricas, laboratorios y hospitales. Los científicos de Argonne fueron pioneros en una técnica para analizar la superficie de la luna usando radiación alfa, que se lanzó a bordo del Surveyor 5 en 1967 y luego analizó muestras lunares de la misión Apolo 11.

Además del trabajo nuclear, el laboratorio mantuvo una fuerte presencia en la investigación básica de física y química. En 1955, los químicos de Argonne descubrieron conjuntamente los elementos einstenio y fermio, elementos 99 y 100 en la tabla periódica. En 1962, los químicos de laboratorio produjeron el primer compuesto del gas noble inerte xenón, abriendo un nuevo campo de investigación de enlaces químicos. En 1963, descubrieron el electrón hidratado.

La física de alta energía dio un gran salto cuando Argonne fue elegida como sede del Sincrotrón de Gradiente Cero de 12,5 GeV, un acelerador de protones que se inauguró en 1963. Una cámara de burbujas permitió a los científicos rastrear los movimientos de las partículas subatómicas a medida que se desplazaban. la Cámara; en 1970 observaron por primera vez el neutrino en una cámara de burbujas de hidrógeno.

Mientras tanto, el laboratorio también estaba ayudando a diseñar el reactor para el primer submarino de propulsión nuclear del mundo, el U.S.S. Nautilus, que navegó durante más de 513 550 millas náuticas (951 090 km). El siguiente modelo de reactor nuclear fue el reactor experimental de agua en ebullición, el precursor de muchas centrales nucleares modernas, y el reactor reproductor experimental II (EBR-II), que se enfrió con sodio e incluía una instalación de reciclaje de combustible. Posteriormente, el EBR-II se modificó para probar otros diseños de reactores, incluido un reactor de neutrones rápidos y, en 1982, el concepto de reactor rápido integral: un diseño revolucionario que reprocesó su propio combustible, redujo sus desechos atómicos y superó las pruebas de seguridad de las mismas fallas. que desencadenó los desastres de Chernobyl y Three Mile Island. Sin embargo, en 1994, el Congreso de los Estados Unidos canceló la financiación de la mayor parte de los programas nucleares de Argonne.

Argonne pasó a especializarse en otras áreas, mientras capitalizaba su experiencia en física, ciencias químicas y metalurgia. En 1987, el laboratorio fue el primero en demostrar con éxito una técnica pionera llamada aceleración de estela de plasma, que acelera partículas en distancias mucho más cortas que los aceleradores convencionales. También cultivó un sólido programa de investigación de baterías.

Después de un gran impulso del entonces director Alan Schriesheim, el laboratorio fue elegido como el sitio de la Fuente Avanzada de Fotones, una importante instalación de rayos X que se completó en 1995 y produjo los rayos X más brillantes del mundo en el momento de su construcción.

El 19 de marzo de 2019, se informó en el Chicago Tribune que el laboratorio estaba construyendo la supercomputadora más poderosa del mundo. Con un costo de $ 500 millones, tendrá el poder de procesamiento de 1 quintillón de fracasos. Las aplicaciones incluirán el análisis de estrellas y mejoras en la red eléctrica.

Directores

A lo largo de su historia, 13 personas se han desempeñado como Director de Argonne:

• 1946–1956 Walter Zinn
• 1957-1961 Norman Hilberry
• 1961-1967 Albert V. Crewe
• 1967–1973 Robert B. Duffield
• 1973-1979 Robert G. Sachs
• 1979-1984 Walter E. Massey
• 1984 a 1996 Alan Schriesheim
• 1996–1998 Dean E. Eastman
• 2000–2005 Hermann A. Grunder
• 2005 a 2008 Robert Rosner
• 2009–2014 Eric Isaacs
• 2014–2016 Peter Littlewood
• 2017–Presente Paul Kearns

Iniciativas

La supercomputadora IBM Blue Gene/Q de Argonne.

• Hard X-ray Sciences: Argonne es el hogar de una de las mayores fuentes de luz de alta energía del mundo: la Fuente de Foto avanzado (APS). Cada año, los científicos hacen miles de descubrimientos mientras usan el APS para caracterizar tanto materiales orgánicos como inorgánicos e incluso procesos, como cómo los inyectores de combustible de vehículos rocian gasolina en motores.
• Liderazgo: Argonne mantiene una de las computadoras más rápidas para la ciencia abierta y ha desarrollado software de sistema para estas máquinas masivas. Argonne trabaja para impulsar la evolución de la computación de liderazgo de petascale a exascale, desarrollar nuevos códigos y entornos informáticos, y ampliar los esfuerzos computacionales para ayudar a resolver los desafíos científicos. Por ejemplo, en octubre de 2009, el laboratorio anunció que se iniciaría un proyecto conjunto para explorar la informática en la nube con fines científicos. En la década de 1970 Argonne tradujo Numerische Mathematik programas de álgebra lineal numérica de ALGOL a Fortran y esta biblioteca se expandió a LINPACK y EISPACK, por Cleve Moler, et al.
• Materiales para la Energía: Los científicos de Argonne trabajan para predecir, comprender y controlar dónde y cómo colocar átomos y moléculas individuales para lograr las propiedades materiales deseadas. Entre otras innovaciones, los científicos de Argonne ayudaron a desarrollar un hielo para enfriar los órganos de las víctimas del ataque cardíaco, describieron lo que hace que los diamantes resbaladizos a nivel nanoescala, y descubrieron un material superinsulado que resiste el flujo de corriente eléctrica más completamente que cualquier otro material anterior.
• Almacenamiento de energía eléctrica: Argonne desarrolla baterías para la tecnología de transporte eléctrico y almacenamiento de cuadrícula para fuentes de energía intermitentes como viento o solar, así como los procesos de fabricación necesarios para estos sistemas intensivos de materiales. El laboratorio ha estado trabajando en investigación y desarrollo de materiales de batería avanzados durante más de 50 años. En los últimos 10 años, el laboratorio se ha centrado en las baterías de iones de litio, y en septiembre de 2009 anunció una iniciativa para explorar y mejorar sus capacidades. Argonne también mantiene una instalación independiente de prueba de baterías, que prueba baterías de muestras tanto del gobierno como del sector privado para ver qué tan bien funcionan con el tiempo y bajo tensiones de calor y frío.
• Energía alternativa y eficiencia: Argonne desarrolla tanto combustibles químicos como biológicos adaptados para motores actuales, así como sistemas mejorados de combustión para futuras tecnologías de motores. El laboratorio también ha recomendado mejores prácticas para conservar combustible; por ejemplo, un estudio que recomendó instalar calentadores auxiliares de cabina para camiones en lugar de idling el motor. Mientras tanto, el programa de investigación de energía solar se centra en dispositivos y sistemas solar-eléctricos que son escalables y económicamente competitivos con fuentes de energía fósiles. Los científicos de Argonne también exploran las mejores prácticas para una red inteligente, tanto mediante el modelado del flujo de energía entre los servicios públicos y los hogares como mediante la investigación de la tecnología para interfaces.
• Energía nuclear: Argonne genera tecnologías avanzadas de reactores y ciclo de combustible que permiten la generación segura y sostenible de energía nuclear. Los científicos de Argonne desarrollan y validan modelos computacionales y simulaciones de reactores de generación futura de reactores nucleares. Otro proyecto estudia cómo reprocesar el combustible nuclear gastado, de manera que los desechos se reducen hasta el 90%.
• Sistemas biológicos y ambientales: Comprender el efecto local del cambio climático requiere la integración de las interacciones entre el medio ambiente y las actividades humanas. Los científicos de Argonne estudian estas relaciones de molécula a organismo a ecosistema. Los programas incluyen la bioremediación utilizando árboles para sacar contaminantes de las aguas subterráneas; biochips para detectar cánceres antes; un proyecto para apuntar células cancerosas utilizando nanopartículas; metagenomía del suelo; y una instalación de usuario para el proyecto de investigación de medición de radiación atmosférica.
• Seguridad Nacional: Argonne desarrolla tecnologías de seguridad que prevengan y mitiguen eventos con potencial de perturbación o destrucción masiva. Estos incluyen sensores que pueden detectar materiales químicos, biológicos, nucleares y explosivos; máquinas portátiles de radiación Terahertz ("Radio T") que detectan materiales peligrosos más fácilmente que los rayos X en los aeropuertos; y rastrear y modelar los posibles caminos de los productos químicos liberados en un metro.

Facilidades para el usuario

Argonne's Center for Nanoscale Materials.

Argonne construye y mantiene instalaciones científicas que serían demasiado costosas de construir y operar para una sola empresa o universidad. Estas instalaciones son utilizadas por científicos de Argonne, la industria privada, la academia, otros laboratorios nacionales y organizaciones científicas internacionales.

• Fuente de fotones avanzada (APS): una instalación nacional de investigación de rayos X sincrotron que produce los rayos X más brillantes del hemisferio occidental.
• Center for Nanoscale Materials (CNM): a user facility located on the APS which provides infrastructure and instruments to study nanotechnology and nanomaterials. El CNM es uno de los cinco Centros de Investigación de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos.
• Argonne Tandem Sistema Acelerador Linac (ATLAS): ATLAS es el primer acelerador de partículas superconductores del mundo para iones pesados en energías en las proximidades de la barrera Coulomb. Este es el dominio energético adecuado para estudiar las propiedades del núcleo, el núcleo de la materia y el combustible de las estrellas.
• Argonne Leadership Computing Facility (ALCF): a DOE Office of Science User Facility that provides supercomputing resources to the research community to enable breakthroughs in science and engineering.

Centros

• El Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Center es un Centro de Investigación de Fronteras de Energía patrocinado por el Departamento de Energía de Estados Unidos. Dirigida por el Laboratorio Nacional Argonne e incluyendo la Universidad de Chicago y la Universidad Northwestern como socios, AMEWS trabaja para resolver los desafíos que existen en la interfaz de agua y los materiales que componen los sistemas que manejan, procesan y tratan el agua.
• Electron Microscopy Center (EMC): una de las tres instalaciones científicas de usuario apoyadas por el DOE para la microcaracterización del haz de electrones. El EMC realiza estudios in situ de transformaciones y procesos defectuosos, efectos de modificación e irradiación del haz de iones, superconductores, ferroelectrices e interfaces. Su microscopio electrónico de voltaje intermedio, junto con un acelerador, representa el único sistema de este tipo en los Estados Unidos.
• Biology Center (SBC): El SBC es una instalación de usuario ubicada fuera de la instalación de radiografía de Fuente de Fotones Avanzados, que se especializa en la cristalografía macromolecular. Los usuarios tienen acceso a un dispositivo de inserción, una imagen de flexión y un laboratorio de bioquímica. Las vigas de SBC se utilizan a menudo para mapear las estructuras de cristal de proteínas; en el pasado, los usuarios tienen proteínas de imágenes de ántrax, bacterias causantes de meningitis, salmonella y otras bacterias patógenas.
• The Network Enabled Optimization System (NEOS) Server es el primer entorno de solución de problemas habilitado para una amplia clase de aplicaciones en negocios, ciencias e ingeniería. Se incluyen solucionadores de última generación en programación de enteros, optimización no lineal, programación lineal, programación estocástica y problemas de complementariedad. La mayoría de los solvers NEOS aceptan entrada en el lenguaje de modelado AMPL.
• The Joint Center for Energy Storage Research (JCESR) is a consortium of several national laboratories, academic institutions, and industrial partners based at Argonne National Laboratory. La misión de JCESR es diseñar y construir materiales transformadores que permitan baterías de próxima generación que satisfagan todas las métricas de rendimiento para una aplicación dada.
• El Centro Integrado Midwest para Materiales Computacionales (MICCoM) tiene su sede en el laboratorio. MICCoM desarrolla y difunde software, datos y procedimientos de validación interoperables de código abierto para simular y predecir propiedades de materiales funcionales para procesos de conversión de energía.
• El Centro ReCell es una colaboración nacional de laboratorios industriales, académicos y nacionales, liderada por el Laboratorio Nacional Argonne, que trabaja para impulsar tecnologías de reciclaje a lo largo de todo el ciclo de vida de baterías. El centro pretende crecer una industria de reciclaje de baterías avanzadas sostenibles mediante el desarrollo de procesos de reciclaje económico y ambientalmente racionales que puedan ser adoptados por la industria de iones de litio y futuras farmacias de batería.

Divulgación educativa y comunitaria

Un estudiante examina la rueda Gyro de Argonne en la casa abierta.

Argonne da la bienvenida a todos los miembros del público mayores de 16 años para que realicen visitas guiadas a las instalaciones y terrenos científicos y de ingeniería. Para niños menores de 16 años, Argonne ofrece actividades prácticas de aprendizaje adecuadas para excursiones y salidas de exploradores K-12. El laboratorio también alberga actividades de divulgación de ciencias e ingeniería educativas para las escuelas de los alrededores.

Los científicos e ingenieros de Argonne participan en la formación de casi 1000 estudiantes universitarios e investigadores posdoctorales cada año como parte de sus actividades de investigación y desarrollo.

En los medios

Partes significativas de la película de persecución de 1996 Reacción en cadena se rodaron en la sala del anillo de sincrotrón de gradiente cero y en el antiguo laboratorio de demostración de deuterio de onda continua.

Personal destacado