橡樹嶺國家實驗室

橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)，簡稱ORNL，是美國能源部下屬的最大、最多樣化的綜合性國家實驗室。作為世界上首屈一指的研究機構，ORNL構建起了溝通科學與工業技術的橋梁。

該實驗室位于美國田納西州，成立于1943年，現由田納西大學和巴特爾紀念研究所共同為美國能源部管理。截至2024 年，ORNL共有員工超6000名，包括100多個學科的科學家和工程師。ORNL原稱克林頓實驗室(Clinton Laboratories)，成立初的任務是開發分離鈾同位素所需的技術，為生產世界上第一顆原子彈作出貢獻。

橡樹嶺國家實驗室主要開展基礎研究和應用開發，提供科學知識和技術上解決復雜問題的創新方法，增強美國在關鍵科學領域中的領先地位；提高清潔能源的利用率；恢復和保護環境、以及為美國國家安全作貢獻。ORNL因其在科技領域，特別是材料科學、核研究、超級計算及環境領域的突破性貢獻而享譽全球。

基本介紹

美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）是美國能源部所屬最大的科學和能源研究實驗室，成立于1943年，現由田納西大學和Battelle紀念研究所共同管理。20世紀50、60年代，ORNL主要從事核能、物理及生命科學的相關研究。70年代成立了能源部，使得美國橡樹嶺國家實驗室的研究計劃擴展到能源生產、傳輸和保存領域等。

歷史背景

第二次世界大戰期間，為了趕在德國之前造出原子彈，美國啟動了“曼哈頓工程”。作為曼哈頓工程的一部分，1943年2月，在田納西州諾克斯維爾以西30公里處的克林頓小鎮，從事核武試驗研究的克林頓實驗室破土動工（后改稱為橡樹嶺國家實驗室ORNL）。2000年4月以后，ORNL由田納西大學和Battelle紀念研究所合伙管理。

20世紀50、60年代，ORNL是從事核能和物理及生命科學相關研究的國際中心。70年代成立美國能源部后，ORNL的研究計劃擴展到能源產生、傳輸和保存領域。到21世紀初，該實驗室用和平時期同樣重要但與曼哈頓計劃時期不同的任務支持著美國。

隨著現代設施的建設使前沿研究成為可能，ORNL正在對未來的大科學任務進行重新定位，涉及先進的計算、先進材料、生物系統、能源科學、納米技術、國家安全、中子科學、研究設施和其他有關的研究領域。

ORNL擁有眾多的重要科學研究設施，自2013年以來向更高層次發展，建設了新的納米材料科學中心、基因科學中心、每秒進行40*1012次計算的世界上最大的超級計算機中心等，負責由6個美國實驗室共同合作建設的美國最大的民用科學研究項目——價值14億美元的散裂中子源，設有多個核科學實驗室如高通量同位素反應推等，逐漸發展成為大型綜合性研究基地，對美國的發展做出了巨大貢獻。

ORNL現有雇員4600人，包括科學家和工程師3000人。ORNL每年接待客座研究人員3000名，為期2周或更長的時間，其中約有25%的客座人員來自工業部門。每年接待參觀者30000人，另外加上進大學前的10000名學生。

ORNL每年的經費超過16.5億美元，其中80%來自能源部，20%來自聯邦政府和私營部門的客戶。其2003財政年度的經費首次超過10億美元。田納西大學-Battelle紀念研究所已經提供數百萬美元，用于支持大橡樹嶺地區的數學和科學教育、經濟發展和其他項目。

ORNL正計劃投資3億美元，為下一代大科學研究提供現代化的場所。經費由聯邦政府、州政府和私營部門提供，用于建造11個新的裝置，包括功能性基因組中心、納米材料科學、先進材料表征實驗室和計算科學聯合研究所。

投資16億美元的散裂中子源SNS是世界上最大的民用科學項目，ORNL從而成為世界上首屈一指的中子科學研究中心。

研究

美國橡樹嶺國家實驗室的任務是開展基礎和應用項目的研發，提供知識和技術上的創新方法，增強美國在主要科學領域里的領先地位；提高潔凈能源的利用率；恢復和保護環境以及為國家安全作貢獻。美國橡樹嶺國家實驗室在許多科學領域中都處于國際領先地位。它主要從事6個科學領域方面的研究，包括中子科學、能源、高性能計算、復雜生物系統、先進材料和國家安全。

相關

美國橡樹嶺國家實驗室的生物能源研究中心包括生物能源科學中心（BESC）和生物能源可持續發展中心（CBES）。其在生物能源領域的研究范圍包括生物原料、原料物流、生物精煉、產品交付、終端用戶、可持續性發展、信息等。

生物能源科學中心的任務是在未來五年中解決生物能源的加工問題。美國橡樹嶺國家實驗室的科研人員正在開發可替代燃料的解決方法，生產出清潔的、可行的且可以負擔的化石燃料替代品。生物能源科學中心側重于生物質抗降解性（纖維素生物質抵抗酶分解為糖）的基礎研究，生物能源科學中心為解決這一問題把兩個方面緊密聯系在一起，一是對植物方面的研究，使得細胞壁更容易被解構，一是對生物方面的研究，開發多功能的生物催化劑，可以使修改的植物原料通過單一步驟生產出生物燃料。

生物能源科學中心的研究重點分為三個：

生物質的形成和修改 生物質解構和轉化 表征和建模

研究項目包括：

高通量生物質表征管道：生物能源科學中心研究人員開發出一種高通量的管道，以迅速確定化學、解構和遺傳特征，這些決定了生物質的抗降解性。微生物介導的綜合生物加工進展從計算機模擬構建纖維小體的設計一種新的體外木聚糖生物合成的實驗通過環境DNA篩選發現新的纖維素降解酶。

生物能源可持續發展中心研究生物質產品轉化為生物燃料和生物基產品的最終可持續性。其研究目的是利用科學的方法分析并理解具有潛力的生物能源產品的可持續性（環境、經濟和社會），并找出方法來增強生物能源的可持續性，以及為生物能源利益相關者和決策者提供高質量的數據資源。其主要關注的領域為：

從系統角度對生物能源的選擇可持續性與環境、經濟和社會問題相結合生物能源可持續發展的合適規模權衡土地使用和土地管理決策的影響量化在地方、區域和全球規模下，生物能源選擇對環境、經濟和社會的影響木質纖維原料的選擇，以及它們對生態系統服務的影響，和對社會、經濟的效益可持續發展指標。

美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員30年來一直致力于生物原料和生物能源作物領域的研究。他們的研究包括：

促進系統的理解以對能源做出決定通過試驗田、實驗室和模型試驗評估生物能源可持續發展的可行性和影響測試、校準和確定模型的敏感度和不確定性評估數據以描述生物能源的選項向決策者提供科學的數據結果。

截止到2013年，該中心工作人員超過80名，工作領域包括系統工程學、生物化學工程、國家和全球生物能源分析、資源經濟學、物流模型、空間數據分析和建模、地理空間科學和技術、運輸分析和環境影響等。該中心合作伙伴包括：美國能源部、環保局、國家航空航天局，以及農業部等。

大事

1939年 發現核裂變。

1942年 橡樹嶺被選為二戰曼哈頓計劃的場地。

1943年 世界上第一臺連續運轉造價1200萬美元的石墨反應堆經過9個月的建造達到臨界。

1944年 石墨反應堆生產出钚，為生產結束二戰的原子彈所需钚的Hanford反應堆做好準備。

1945年 在石墨反應堆上發現元素61（钷）；在反應堆上首次開展中子散射研究（實驗者為Ernie Wollan和Cliff Shull；后者因在石墨反應堆上所做的開拓性工作榮獲1994年諾貝爾物理獎）。

1946年 首次將反應堆生產的放射性同位素送到癌癥醫院；提出壓水反應堆的設想(后用于核電和潛水推力)；設計出放射探測器和劑量儀。

1947年 老鼠用來研究輻射對哺乳動物的遺傳影響；原子委員會成立。

1948年 設計用于研究反應堆的燃料成分；材料實驗反應堆在ORNL設計，建在愛達荷州。

1949年 在ORNL開發出普雷克斯過程，后來在世界范圍內成為從用過的反應堆燃料中回收鈾和钚的方法。

1950年 橡樹嶺反應堆技術學校成立；低流強測試反應堆首次運行。

1951年 整體屏蔽反應堆開始運行；測量中子半壽命；安裝5MW靜電加速器。

1952年 建造ORNL第一臺重離子回旋加速器；根據對被輻照老鼠胚胎的研究，ORNL告戒不要對可能懷孕的婦女進行X光檢查；均勻反應堆實驗首次運行。

1953年 在ORNL安裝當時世界上功率最大的橡樹嶺自動計算機和邏輯機；ORNL為軍隊設計在遙遠場地使用的可移動反應堆。

1954年 塔式屏蔽設施為ORNL計算提供數據，幫助設計緊湊、重量輕的屏蔽，防止核飛機飛行人員遭受反應堆輻射。雖然核飛機從未建造，但ORNL參與國家的飛機核推進項目開發出大量的有用核技術。

首次成功地進行了實驗。在實驗中，通過兩種不同反應物的分子束流對撞，研究了一種化學反應。

1955年 在聯合國和平利用原子大會上ORNL小的“游泳池”式反應堆展示給艾森豪威爾總統；Alvin Weinberg被任命為ORNL所長，任職歷時18年。

1956年 核糖核酸（RNA）被發現；展示首例骨髓移植。國家科學院委員會根據ORNL老鼠數據就輻射對人類遺傳效應進行預測。

1957年 在ORNL領導的影響下，對可允許的醫用輻射水平和工作地點的放射性核素作出決定；ORNL第一臺聚變研究裝置建成。

1958年 橡樹嶺研究性反應堆開始運行；美國首次尋找高水平核廢料儲存地的努力由ORNL開始。

1959年 發現老鼠的雄性取決于Y染色體的存在；對克林奇河（Clinch River）進行了研究，評估從一個主要的核設施釋放的放射性同位素的潛在長期危害。

1960年 制作出用作個人輻射監視器的袖珍嘯聲器；測量化學制品對老鼠的遺傳影響的實驗計劃啟動。

1961年 開始開發放射性同位素加熱源，為空間衛星提供動力；在ORNL反應堆上開發出嬗變攙雜法；后用于制造電子學部件。

1962年 開展輻射防護物理研究；研究反應堆竣工；借助計算機模擬發現離子溝道效應；軍民研究計劃啟動；木實驗臺用放射性同位素銫-137作標記；分析表明核武器實驗產生的放射性微粒具有危害性。

1963年 輻射屏蔽信息中心成立；橡樹嶺等時性回旋加速器首次運行。

1964年 成為第一個雇用社會科學家（開始時進行軍民研究）的國家實驗室；在聯合國大會上介紹ORNL核脫鹽概念。

1965年 高通亮同位素反應堆(HFIR)和熔鹽反應堆運行(MSR)。

1966年 石墨反應堆被命名為國家歷史性里程碑；開發出評價核臨界安全的KENO蒙特卡洛代碼。

1967年 Walker Branch Watershed研究設施對生態系統研究開放；ORNL被選為領導國際生物計劃下美國的生態系統研究；在ORNL高速離心機中分離出病毒；開發出評估輻射屏蔽保護能力的模擬代碼。

1968年 使用鈾233，第二個熔鹽反應堆運行（這是第一臺使用這種燃料的反應堆）；發明醫療診斷用的快速離心分析儀；用ORNL開發的區域離心機產生出超純疫苗；設計出能更好抗中子誘導膨脹的不銹鋼合金。

1969年 利用新的橡樹嶺電子直線加速器首次進行了中子截面測量；ORNL成為與遙感結合在一起的地理信息系統的領導者；設計出Apollo11月亮巖石收集器。

1970年 提出SCALE標準，幫助確保用過核燃料的安全儲存和運輸；ORNL第一臺用于等離子體物理實驗的托卡馬克聚變研究裝置運行。

1971年 水生態實驗室成立；獲得環境影響說明所需的魚最喜歡水溫的數據；在加速器研究中確定了變形的鈾234原子核的可能形狀。

1972年 能量守恒研究計劃啟動；老鼠胚胎冷凍、解凍和移植到母性老鼠中，生出健康的幼鼠；在生物反應堆中，發現花園土壤的細菌去掉來自工業廢水的硝酸鹽和稀有金屬；發現四極磁鐵大共振；廣泛研究出現這些原子核大振蕩的模式。

1973年 對月球巖石的組成進行分析；制作出超聲波魚標記，用來測量和傳送魚最喜歡的水溫。

1974年 Herman Postma被任命為ORNL所長，歷時14年；開發出鉻鉬鋼；在世界范圍內，用于電力事業鍋爐和煉油鍋爐。

1975年 開發出生態系統的計算機模型，使ORNL成為系統生態學方面的領先者；開發出將核燃料密封在空間探測器用的結實銥合金。

1976年 試驗性的ANFLOW生物反應堆安裝在橡樹嶺市污水處理廠；改進從煤生產液態和氣體燃料并確定它們生物效應的計劃啟動。

1978年 吉米.卡特總統訪問ORNL；開發出為裂變能源研究設備添加燃料的芯塊注入法，在世界范圍內被廣泛采用。

1979年 ORNL的中性注入器幫助普林斯頓等離子體物理實驗室使聚變等離子體溫度創造記錄；ORNL幫助核控制委員會確定三里島核電廠事故的起因和后果；發現乙亞硝基脲是誘發老鼠變異最有效的化學制品；在研究老鼠中，發現食品防腐劑中的亞硝酸鹽與食品和藥物胺發生反應，形成引起癌癥的硝基胺。

1980年 Holifield重離子研究裝置（HHIRF）作為核物理用戶裝置對外開放；國家小角度散射研究中心開放后，HHIRF成為用戶設施；國家環境研究園（12400英畝）開放；發現新的離子注入技術能改進物質表面的性能；ORNL用氮離子注入鈦合金后，制造出壽命更長的人造關節；建立計算機模型，預測電站對哈德遜河魚的影響；ORNL研究人員啟動遙控技術研究，成為世界上制造承擔危險任務機器人的領先者。

1981年 開發出晶須韌化、抗斷裂陶瓷，用于工廠的切削工具。

1982年 為提高冷凍機和加熱泵的效率，制定了標準，擬訂了設計；制定了絕緣標準，后被聯邦政府部門采用；開發出改進的鎳鋁化物合金，用于鋼材和汽車部件的商業化生產；在大線圈測試設備上由聚變能研究人員對超導磁鐵成功地進行了測試；二氧化碳信息分析中心成立，該中心是世界上有名的全球變化數據存儲中心。

1984年 利用菠菜和藻類中的光和作用，開始進行從水產生含有巨大能量氫的實驗。

1985年 開發出用碘123示蹤的脂肪酸，用于醫療掃描診斷心臟病；田納西大學和ORNL建立科學聯盟；開發出膠鑄，2013年，商業上用于形成微渦論的陶瓷部件。

1986年 ORNL確定切諾爾貝力核電站事故何時發生和為什么釋放出那么多的放射。

1987年 高溫材料實驗室作為用戶裝置對謀求制造能效高發動機的工業界研究人員開放；激光器用來制造高溫超導材料；鑒于能源部對實驗室反應堆安全管理的擔憂，ORNL所有反應堆關閉。

1988年 為開展聚變能源研究，利用仿星器，啟動先進環形裝置；Alvin Trivelpiece被任命為ORNL所長，歷時12年。

1989年 為核控制委員會重新頒發核電廠運行許可證，提供了“一般環境影響報告”第一草案。

1990年 ORNL的酸雨研究導致控制工業上的硫和氧化氮的排放；原子序數對比電子顯微鏡看到一列一列的原子；計算機代碼幫助部隊更好地在戰場部署兵力和裝備；確認中子內存在夸克。

1991年 在HHFIR上進行的中子活化分析否定了美國一位總統死于砷中毒的說法；寫出軟件，通過將到處分散的PC機連起來的辦法解決問題。

1992年 喬治.布什總統參觀ORNL；發明錸188同位素產生器，在世界范圍內，治療癌癥和心臟病患者；發明薄膜微型鋰電池；發現和克隆老鼠刺豚鼠基因；發現變異基因引起肥胖癥、糖尿病和癌癥；開發出圖形輸入語言（GRAIL），用于在計算機上識別DNA序列中的基因。

1993年 發明光學活組織切片檢查技術，不動手術就能發現食道中的癌癥腫瘤；UT-ORNL名列前500臺超級計算機。

1994年 發明“芯片實驗室”，商業上用于蛋白質分析和毒品發現實驗；發明質譜測定技術，用于探測污染物、爆炸物和蛋白質；開發出ALLIANCE軟件，使一組一組的機器人配合工作；為在新的并行超級計算機上運行未來氣候模型準備了代碼。

1995年 啟動當時世界上最快的超級計算機Intel Paragon XP/S 150；發明了制造高溫超導線的RABiTSTM方法；開發出超級計算機數據存儲和檢索超高速系統；ORNL的DNA蛋白質晶體搭載哥倫比亞號宇宙航天飛機在宇宙中生長；為海軍開發出探測過往潛水艇的信號分析系統。

1996年 修改了大眾冷凍機模型，將能耗降低一半；發現石墨泡沫導熱異乎尋常的好；設計出心跳探測器，發現藏在車內的恐怖分子和罪犯；可查找的電子簿式的視窗幫助合作者通過國際網絡運行實驗。

1997年 開發出檢驗俄羅斯武器等級的鈾轉換為反應堆等級燃料的設備；初步設計質譜儀，幫助海軍發現生化威脅；第一次被批準公布在遺傳上設計的微生物制造出增強受損錄象帶信號的VITALE，幫助警察解決犯罪問題；世界上最大的集水區實驗說明干旱和大雨對森林的影響；首次被批準公布經過遺傳工程處理得到的微生物。

1998年 發明MicroCAT掃描儀；繪制出變異老鼠內部變化圖；戶外FACE實驗表明膠皮糖香樹在濃化CO2大氣中長得更快；ORNL的技術幫助半導體公司發現引起計算機芯片中缺陷的問題。

1999年 副總統戈爾在散裂中子源SNS破土動工儀式上講話；發明迅速探測人體疾病的多功能生物芯片；開展合金研究導致造紙廠的鍋爐更新改進或新的鍋爐，使其更加安全。

2000年 Bill Madia被任命為ORNL所長；兩臺新的超級計算機投入運行；ORNL在國際蛋白質結構預測競爭中，位于前100名的第四名；田納西大學-ORNL開放國家運輸研究中心；開發出節能加熱泵水加熱器；ORNL幫助將3個人類染色體排序；聚變能理論學家開始設計準-磁場極向仿星器。

2001年 為半導體公司設計出檢查三維缺陷直接到數字的全息照相術；GRAIL用于《科學》和《自然》關于人類基因組排序方面具有里程碑性的論文；能源部部長Spencer Abraham訪問ORNL，將DOE的土地轉給ORNL用于新的建設；與工業伙伴開發出超導變壓器和高溫超導電纜。

2002年 UT-ORNL計算機科學聯合研究所破土動工；3億美元現代化計劃開始動工興建；能源部批準在ORNL建立納米相材料科學中心；人類生活家園櫥窗中展示的ORNL能源技術；錒-225從ORNL運到醫院治療白血病。

2003年8月1日起，Jeff Wadsworth擔任ORNL所長。

2003年 私人資助的設施：在能源部立契約轉讓的土地上建造300000平方英尺的設施中，將有最先進的能源和計算科學實驗室。

2007年7月1日起，凝聚態物理學家Thom Mason擔任ORNL所長。

所獲榮譽

2022年5月，在全球超算新排名中，美國橡樹嶺國家實驗室的Frontier奪第一。