アルゴンヌ国立研究所

アルゴンヌ国立研究所

アルゴンヌ国立研究所の航空写真
設立	1946年2月8日; 78年前 ( 1946-02-08 )
研究の種類	研究
予算	11億ドル（2022年）[1]
研究分野	物理科学 生命科学 環境科学 エネルギー科学 光子科学 データ サイエンス 計算科学
監督	ポール・カーンズ
スタッフ	3400
住所	9700 サウス キャス アベニュー
位置	アメリカ合衆国イリノイ州デュページ郡ダウナーズグローブタウンシップ、レモント
キャンパス	1,700エーカー（6.9 km 2）
所属	米国エネルギー省 シカゴ大学 ジェイコブス工学部
運営機関	シカゴ大学アルゴンヌLLC
ノーベル賞受賞者	エンリコ・フェルミ マリア・ゲッパート・マイヤー アレクセイ・アレクセーエヴィチ・アブリコソフ
Webサイト	詳しくはこちら

アルゴンヌ国立研究所は、アメリカ合衆国イリノイ州レモントにある連邦政府出資の研究開発センターです。1946年に設立され、アメリカ合衆国エネルギー省が所有し、シカゴ大学のUChicago Argonne LLCが管理しています。^{[2] [3]この施設は}中西部最大の国立研究所です。

アルゴンヌ国立研究所は、シカゴ大学の冶金研究所に端を発し、第二次世界大戦中にマンハッタン計画における原子炉に関する研究をエンリコ・フェルミが遂行するために設立されました。戦後、1946年7月1日に米国初の国立研究所に指定されました。^[4]最初の数十年間、この研究所は原子核物理学の平和利用の中心地であり、世界中で稼働しているほぼすべての商業用原子力発電所は、アルゴンヌ国立研究所の研究にルーツを持っています。 ^{[5] 1,000人を超える科学者が、}エネルギー貯蔵と再生可能エネルギー、物理学、化学、材料科学の基礎研究、環境持続可能性、スーパーコンピューティング、国家安全保障の分野で研究を行っています。

アルゴンヌはかつてアイダホ州アイダホ国立工学環境研究所の隣にアルゴンヌ国立研究所西（または単にアルゴンヌ西）という小規模な施設を運営していた。2005年にアイダホ州に拠点を置く2つの研究所が合併し、アイダホ国立研究所となった。^[6]

アルゴンヌは、拡大を続けるイリノイ技術研究回廊の一部です。

アルゴンヌ研究所は2022年に、物理科学と生命科学における科学的発見、エネルギーと気候の研究、社会を守るための世界的安全保障の進歩、世界中の何千人もの科学者やエンジニアを支援する研究施設の運営、科学技術労働力の育成など、5つの重点分野を掲げていると発表しました。^[7]

アルゴンヌは、シカゴ大学のマンハッタン計画の一環として、 1942年に冶金研究所として設立されました。同研究所は、シカゴ大学スポーツスタジアムの観客席の下に、世界初の原子炉であるシカゴ・パイル1を建設しました。1943年、CP-1はシカゴ郊外の森林保護区であるアルゴンヌの森にCP-2として再建されました。ここに建設された研究所施設は、サイトAとして知られるようになりました。

1946 年 7 月 1 日、「冶金研究所」のサイト A は、「核工学の共同研究」のために正式にアルゴンヌ国立研究所として再認可されました。米国原子力委員会の要請により、国の平和的な核エネルギー計画のための原子炉の開発が始まりました。1940 年代後半から 1950 年代前半にかけて、研究所は西のより広いデュページ郡の非法人地域に移転し、アイダホ州に「アルゴンヌ ウェスト」と呼ばれる遠隔地を設立して、さらなる核研究を行いました。

研究所の初期の取り組みは、原子核反応から電気を生み出すための設計と材料の開発に重点を置いていました。研究所は、世界初の重水減速炉であるシカゴ・パイル3号炉（1944年）と、アイダホ州の実験用増殖炉I号炉（シカゴ・パイル4号炉）を設計・建造しました。実験用増殖炉I号炉は、1951年に世界初の原子力発電で4つの電球を点灯させました。現在世界で2番目に人気のある設計であるBWR発電所の原子炉は、BORAX実験から生まれました。

アルゴンヌの実験から得られた知識は、世界中で発電に使用されているほとんどの商用原子炉の設計の基礎となり、将来の発電所向けの液体金属原子炉の現在の進化する設計に影響を与えています。

一方、同研究所は世界初の原子力 潜水艦であるUSSノーチラス号の原子炉設計にも協力していた。同艦は513,550海里（951,090キロメートル）以上を航行し、米国の原子力海軍の基礎となった。

しかし、すべての核技術が原子炉の開発に投入されたわけではない。1957年に原子炉燃料要素のスキャナーを設計していたアルゴンヌの物理学者ウィリアム・ネルソン・ベックは、スキャナーの中に自分の腕を入れ、人体の超音波画像を初めて撮影した。 ^[8]放射性物質を扱うために設計された遠隔操作装置は、汚染された地域、密閉された実験室、洞窟の清掃に使用されるより複雑な機械の基礎を築いた。^[9]

原子力研究に加えて、この研究所は物理学と化学の基礎研究も行いました。1955年、アルゴンヌの化学者は周期表の99番目と100番目の元素であるアインシュタ イニウムとフェルミウムを共同発見しました。^[10]

1962年、アルゴンヌの化学者は不活性希ガスで あるキセノンの最初の化合物を生成し、化学結合研究の新しい分野を開拓しました。^{[11] 1963年には、彼らは}水和電子を発見しました。^[12]

アルゴンヌは1963年に開設された陽子加速器である12.5 GeVゼロ勾配シンクロトロンの設置場所として選ばれた。科学者たちは泡箱によって、素粒子が室内を飛び回る様子を追跡することができ、後に水素泡箱で初めてニュートリノを観測した。 ^[13]

1964年、「ヤヌス」原子炉が開設され、中性子放射線が生物に与える影響を研究し、発電所、研究所、病院の労働者の安全な被曝レベルに関するガイドラインの研究を提供しました。^{[14]アルゴンヌの科学者は、}アルファ線を使用して月の表面を 分析する技術を開発しました。この技術は1967年にサーベイヤー5号^[15]に搭載され、後にアポロ11号ミッションの月のサンプルを分析しました。

1978年、アルゴンヌタンデム線形加速器システム（ATLAS）が、電子よりも重い粒子を発射する世界初の超伝導加速器として開設されました。^[16]

この時期の原子力工学実験には、多くの現代の原子力発電所の先駆けとなった実験用沸騰水型原子炉や、ナトリウム冷却で燃料リサイクル施設を備えた実験用増殖炉 II (EBR-II) などがあった。EBR-II は後に、高速中性子炉や 1982 年のインテグラル高速炉コンセプトなど、他の原子炉設計をテストするために改造された。インテグラル高速炉は、燃料を再処理し、原子廃棄物を減らし、チェルノブイリやスリーマイル島の惨事を引き起こしたのと同じ失敗の安全性テストに耐えた革新的な設計だった。^[17]しかし、1994 年に米国議会はアルゴンヌの原子力計画の大半への 資金提供を打ち切った。

アルゴンヌ研究所は物理学、化学科学、冶金学の経験を生かしながら、他の分野に特化するように移行しました。1987年、同研究所は、従来の加速器よりもはるかに短い距離で粒子を加速するプラズマ航跡場加速と呼ばれる先駆的な技術を初めて実証しました。 ^{[18]また、強力な}バッテリー研究プログラム も育成しました。

当時の所長アラン・シュリースハイム氏の強力な推進により、この研究所は、1995年に完成し、建設当時世界で最も明るいX線を生成した主要なX線施設 である先進光子源の設置場所として選ばれました。

この研究所は、エネルギー研究の中心地として、また大学に設置するには大きすぎる科学施設の拠点として発展し続けました。

2000年代初頭、アルゴンヌリーダーシップコンピューティング施設が設立され、複数のスーパーコンピュータを導入しました。そのうちのいくつかは、建設当時、世界で最も強力なトップ10にランクされていました。研究所はまた、原子レベルでの材料研究を行うためのナノスケール材料センターを建設し、バッテリー研究と量子技術プログラムを大幅に拡大しました。^[19]

シカゴ・トリビューンは2019年3月、同研究所が世界最強のスーパーコンピュータを構築していると報じた。5億ドルの費用がかかり、1京FLOPSの処理能力を持つ。用途としては、星の分析や電力網の改善などが挙げられる。 ^[20]

• 硬X線科学：アルゴンヌには世界最大級の高エネルギー光源である先進光子源（APS）があります。毎年、科学者たちはAPSを使用して有機・無機物質、さらには自動車の燃料噴射装置がエンジンにガソリンを噴射する仕組みなどのプロセスまでを解析し、何千もの発見をしています。^[21]
• リーダーシップコンピューティング：アルゴンヌはオープンサイエンス向けの最速コンピュータの1つを保有しており、これらの巨大マシン用のシステムソフトウェアを開発しています。アルゴンヌは、リーダーシップコンピューティングをペタスケールからエクサスケールへと進化させ、新しいコードとコンピューティング環境を開発し、科学的課題の解決に役立つコンピューティングの取り組みを拡大することに取り組んでいます。たとえば、2009年10月、同研究所は科学目的のクラウドコンピューティングを調査する共同プロジェクトに着手すると発表しました。 ^[22] 1970年代にアルゴンヌはNumerische Mathematik数値線形代数プログラムをALGOLからFortranに翻訳し、このライブラリはCleve MolerらによってLINPACKとEISPACKに拡張されました。
• エネルギー用材料：アルゴンヌの科学者たちは、望ましい材料特性を実現するために、個々の原子や分子をどこにどのように配置するかを予測、理解、制御する研究を行っています。アルゴンヌの科学者たちは、心臓発作患者の臓器を冷却するための氷スラリーの開発に貢献し、^[23]ナノスケールレベルでダイヤモンドが滑りやすくなる理由を説明し、 ^[24]これまでのどの材料よりも完全に電流の流れに抵抗する超絶縁材料を発見しました。 ^[25]
• 電気エネルギー貯蔵：アルゴンヌは、電気輸送技術用の電池や、風力や太陽光などの断続的なエネルギー源用のグリッド貯蔵、およびこれらの材料集約型システムに必要な製造プロセスを開発しています。この研究所は、50年以上にわたって高度な電池材料の研究開発に取り組んでいます。^[26]過去10年間、この研究所はリチウムイオン電池に焦点を当てており、2009年9月にその能力を研究し改善する取り組みを発表しました。^[27]アルゴンヌは独立した電池試験施設も維持しており、政府と民間企業の両方からサンプル電池を試験して、経年変化や熱や寒さのストレス下での性能を調べています。^[28]
• 代替エネルギーと効率：アルゴンヌは、現在のエンジンに合わせた化学燃料と生物 燃料、および将来のエンジン技術のための改良された燃焼方式を開発しています。研究所はまた、燃料を節約するためのベストプラクティスを推奨しています。たとえば、エンジンをアイドリングさせる代わりにトラックの補助キャブヒーターを取り付けることを推奨した研究があります。^[29]一方、太陽エネルギー研究プログラムは、拡張可能で化石エネルギー源と経済的に競争力のある太陽燃料と太陽電気のデバイスとシステムに焦点を当てています。^[30]アルゴンヌの科学者はまた、ユーティリティと家庭間の電力フローをモデル化し、インターフェースの技術を研究することによって、スマートグリッドのベストプラクティスを探求しています。 ^[31]
• 原子力エネルギー：アルゴンヌは、安全で持続可能な原子力発電を可能にする先進的な原子炉と燃料サイクル技術を生み出しています。アルゴンヌの科学者は、次世代の原子炉の計算モデルと原子炉シミュレーションを開発し、検証しています。^{[32]別のプロジェクトでは、}使用済み核燃料を再処理して廃棄物を最大90％削減する方法を研究しています。 ^[33]
• 生物および環境システム: 気候変動の地域的影響を理解するには、環境と人間の活動の相互作用を統合する必要があります。アルゴンヌの科学者は、分子から生物、生態系まで、これらの関係を研究しています。プログラムには、地下水から汚染物質を取り除くために木を使用するバイオレメディエーション、^[34]、がんを早期に検出するためのバイオチップ、^{[35] 、}ナノ粒子を使用してがん細胞を標的にするプロジェクト、^[36] 、土壌メタゲノミクス、大気放射線測定気候変動研究プロジェクトのユーザー施設などがあります。^[37]
• 国家安全保障：アルゴンヌは、大規模な混乱や破壊を引き起こす可能性のある出来事を防止し、軽減するセキュリティ技術を開発しています。これには、化学物質、生物物質、核物質、爆発物を検出できるセンサー^[38] 、空港でX線よりも簡単に危険物質を検出できるポータブルテラヘルツ放射線（「T線」）機器^[39]、地下鉄に放出された化学物質の可能性のある経路の追跡とモデル化^{[40]が含まれます。}

アルゴンヌは、単一の企業や大学が建設して運営するには費用がかかりすぎる科学施設を建設し、維持しています。これらの施設は、アルゴンヌ、民間企業、学術機関、他の国立研究所、国際科学組織の科学者によって使用されています。

• 先進光子源（APS）：西半球で最も明るいX線ビームを生成する国立シンクロトロンX線研究施設。^[41]
• ナノスケール材料センター（CNM）：APSにあるユーザー施設で、ナノテクノロジーとナノ材料を研究するためのインフラストラクチャと機器を提供しています。CNMは、米国エネルギー省科学局の5つのナノスケール科学研究センターの1つです。^[42]
• アルゴンヌタンデム線形加速器システム（ATLAS）：ATLASは、クーロン障壁付近のエネルギーで重イオンを加速する世界初の超伝導粒子加速器です。これは、原子核、物質の中心核、恒星の燃料の特性を研究するのに適したエネルギー領域です。^[43]
• アルゴンヌ リーダーシップ コンピューティング ファシリティ (ALCF): 科学と工学の飛躍的進歩を可能にするために研究コミュニティにスーパーコンピューティング リソースを提供する DOE 科学局のユーザー ファシリティ。

• エネルギー水システムのための先端材料^[44]（AMEWS）センターは、米国エネルギー省が後援するエネルギーフロンティア研究センターです。アルゴンヌ国立研究所が主導し、シカゴ大学とノースウェスタン大学がパートナーとして参加するAMEWSは、水と、水を処理、処理、処理するシステムを構成する材料との接点に存在する課題の解決に取り組んでいます。
• 電子顕微鏡センター（EMC）：電子ビームによる微細特性評価を行うDOE支援の科学ユーザー施設3施設のうちの1つ。EMCでは、変態や欠陥プロセス、イオンビームによる改質や照射効果、超伝導体、強誘電体、界面の現場研究を行っている。加速器と連動した中電圧電子顕微鏡は、米国で唯一のシステムである。^[45]
• 生物学センター（SBC）：SBCは、高分子結晶構造解析に特化した先進光子源X線施設のそばにあるユーザー施設です。ユーザーは、挿入装置、曲げ磁石、生化学実験室を利用できます。SBCのビームラインは、タンパク質の結晶構造をマッピングするためによく使用されます。過去には、炭疽菌、髄膜炎菌、サルモネラ菌、その他の病原菌のタンパク質を画像化してきました。^[46]
• Network Enabled Optimization System (NEOS) サーバーは、ビジネス、科学、エンジニアリングの幅広いアプリケーションに対応する、ネットワーク対応の最初の問題解決環境です。整数計画法、非線形最適化、線形計画法、確率計画法、相補性問題における最先端のソルバーが含まれています。ほとんどの NEOS ソルバーは、AMPL モデリング言語での入力を受け入れます。
• エネルギー貯蔵研究共同センター（JCESR）は、アルゴンヌ国立研究所を拠点とする複数の国立研究所、学術機関、産業界のパートナーからなるコンソーシアムです。JCESRの使命は、特定の用途のすべての性能基準を満たす次世代バッテリーを可能にする革新的な材料を設計および構築することです。^{[47] [48]}
• 中西部計算材料統合センター（MICCoM）は、この研究所に本部を置いています。MICCoMは、エネルギー変換プロセスのための機能性材料の特性をシミュレートおよび予測するための相互運用可能なオープンソースソフトウェア、データ、検証手順を開発し、配布しています。^{[49] [50]}
• ReCell センターは、アルゴンヌ国立研究所が主導する、産業界、学界、国立研究所の全国的な連携機関であり、バッテリーのライフサイクル全体にわたるリサイクル技術の進歩に取り組んでいます。センターは、リチウムイオンや将来のバッテリー化学に産業界が採用できる経済的で環境に優しいリサイクル プロセスを開発することにより、持続可能な高度なバッテリー リサイクル産業を育成することを目指しています。

アルゴンヌでは、16 歳以上のすべての一般の方を歓迎し、科学および工学施設と敷地のガイド付きツアーを提供しています。16 歳未満のお子様には、アルゴンヌでは K-12 の校外学習に適した実践的な学習アクティビティを提供しています。研究所では、周辺地域の学校向けに科学および工学教育のアウトリーチも行っています。

アルゴンヌの科学者とエンジニアは、研究開発活動の一環として、毎年約 1,000 人の大学院生と博士研究員のトレーニングに参加しています。^[要出典]

これまで、13 名がアルゴンヌ国立研究所の所長を務めてきました。

• 1946–1956ウォルター・ジン
• 1957–1961ノーマン・ヒルベリー
• 1961–1967アルバート・V・クルー
• 1967–1973ロバート・B・ダフィールド
• 1973–1979ロバート・G・サックス
• 1979–1984ウォルター・E・マッシー
• 1984–1996アラン・シュリースハイム
• 1996–1998 ディーン・E・イーストマン
• 1999–2000 ユン・イルチャン
• 2000–2005ヘルマン A. グランダー
• 2005–2008ロバート・ロスナー
• 2009–2014エリック・アイザックス
• 2014–2016ピーター・リトルウッド
• 2017年現在ポール・カーンズ^[51]

1996年の追跡映画「Chain Reaction」の大部分は、ゼロ勾配シンクロトロンリング室と以前の連続波重水素デモンストレーター研究所で撮影されました。 ^[52]

• エネルギー高等研究計画局
• 自動定理証明
• カナダのペニングトラップ分光計
• 宇宙科学推進センター- 国際宇宙ステーションの米国国立研究所を運営しています。
• ガンマスフィア
• ナノ流体
• トラックイメージングチェレンコフ実験

• アルゴンヌ国立研究所、1946-96年。ジャック・M・ホル、リチャード・G・ヒューレット、ルース・R・ハリス。イリノイ大学出版局、1997年。ISBN 978-0-252-02341-5。 
• 原子核物理学：入門。SBパテル。ニューエイジインターナショナル社、1991年。ISBN 81-224-0125-2。 
• アルゴンヌにおける核化学研究の概要、マーティン H. ステュディエ、アルゴンヌ国立研究所報告書、1949 年 6 月 13 日機密解除。

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• アルゴンヌ国立研究所 - アルゴンヌの公式ウェブサイト
• アルゴンヌ国立研究所のプレゼンテーション -アルゴンヌ国立研究所のプレゼンテーションの検索支援
• アルゴンヌニュース - ニュースリリース、メディアセンター
• アルゴンヌ ソフトウェア -シュリンクラップ段階またはその付近にあるオープンソースおよび市販ソフトウェア
• 写真リポジトリ - 公共利用のための写真
• TRAILプロジェクトによってデジタル化されたアルゴンヌ国立研究所の歴史的報告書は、ノーステキサス大学図書館とHathiTrustでホストされています。

北緯41°42′33″ 西経87°58′55″ / 北緯41.709166° 西経87.981992° / 41.709166; -87.981992