オークリッジ国立研究所

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資金による研究開発センターです。1943年に設立されたこの研究所は、アメリカ合衆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 ]}

1943年に設立されたORNLは、規模でエネルギー省システム最大の科学・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アン郡に位置している^{[ 6 ] [ 7 ]} 。その科学プログラムは、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、時にはテネシー州、大学、その他の産業界と提携している。

オークリッジ国立研究所（ORNL）は、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おり、その中にはTOP500で世界第3位にランクインしたFrontierも含まれる。同研究所は、中性子および原子力発電の研究施設であり、核破砕中性子源、高フラックス同位体炉、ナノ相材料科学センターなどを備えている。

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の合弁会社であるUT-Battelleによって運営されています。^{[ 8 ]}この合弁会社は、2000年にこの目的のために設立されました。^{[ 9 ]}年間予算は24億米ドルです。2021年現在、ORNLには5,700人のスタッフが勤務しており、そのうち約2,000人が科学者とエンジニアです。^{[ 10 ]}さらに、毎年3,200人の客員研究員がいます。^{[ 11 ]} 

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、東テネシー技術パーク（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りますが、他の 4 つの施設は国立研究所とは関係ありません。^{[ 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、そのうち研究所が 18 平方キロメートル (7 平方マイル) を占め て い ます 。^{[ 14 ] [ 15 ]}

1934年に、後期ウッドランド時代の考古学的遺跡であり埋葬塚であるフリール・ファーム・マウンド遺跡が発掘された。^{[ 16 ]}この遺跡は現在、メルトン・ヒル湖に水没している。^{[ 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人里離れた農地に設立されました。^{[ 18 ]}第二次世界大戦中、この地ではシカゴ大学冶金研究所が政府のための高度な研究を管理していました。^{[ 19 ]} 1943年には、後にオークリッジ国立研究所として知られることになるクリントン研究所の建設が完了しました。^{[ 18 ] [ 20 ]}この地は、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黒鉛炉の建設地に選ばれました。エンリコ・フェルミとその同僚は、フェルミの以前の実験であるシカゴパイル-1に続いて、世界で2番目の自己持続型原子炉を開発しました。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ましたが、1947年に撤退しました。^{[ 22 ]}シカゴ大学が一時的に責任を引き継ぎ、この施設は名誉ある「国立」研究所の指定を受けましたが、1947年12月、オークリッジですでに他の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、オークリッジ国立研究所（ORNL）と改名しました。^{[ 20 ] [ 22 ] [ 23 ]}

戦後、軍事科学の需要は劇的に減少し、研究所の将来は不確実だった。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わっていなかった。^{[ 18 ] [ 22 ]}代わりに、科学研究に利用された。^{[ 21 ]} 1946年にX-10原子炉で最初の医療用同位体が生産され、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た。^{[ 21 ] [ 22 ]} 1950年代には、医療用にX-10で生産される放射性核種の量と種類が着実に増加した。ORNLは西側で唯一のカリホルニウム252の供給源だった。^{[ 22 ]} ORNLの科学者たちはまた、マウスの免疫系を抑制することで、世界で初めて成功した骨髄移植を行った。^{[ 22 ]}

1950 年、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に関する 2 つのコースが開設されました。約 1,000 人の学生が卒業しました。^{[ 22 ]} 1950 年代に ORNL で行われた研究の多くは、推進と電力の両方のためのエネルギー生産形態としての原子炉に関連していました。1950 年代に建設された原子炉の数は、ORNL の残りの歴史を合わせた数よりも多くなっています。^{[ 22 ]}彼らの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先駆けとなった軽水炉でした。米国軍は、米国海軍の原子力潜水艦や艦船のために、その開発の大部分に資金を提供しました。^{[ 22 ]}米国陸軍はまた、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契約しました。^{[ 24 ]} 原子炉はアメリカン ロコモティブ カンパニーによって製造され、グリーンランド、パナマ運河地帯、南極で使用されました。^{[ 22 ]} 米空軍も、3基の原子炉、研究所初のコンピュータ、および初の粒子加速器に資金を提供した。^{[ 22 ]} ORNLは、提案された長距離爆撃機の艦隊の概念実証として1954年に最初の溶融塩原子炉を建設したが、それは使用されなかった。^{[ 22 ] [ 24 ]}

アルビン・M・ワインバーグはORNLの研究部長に任命され、1955年には研究所長に就任した。^{[ 22 ] [ 23 ]} 1960年代初頭、ORNLでは砂漠と海が接する場所に水を供給するため、原子力発電による海水淡水化プラントの開発が盛んに進められた。平和のための水プロジェクトと呼ばれるこの計画は、ジョン・F・ケネディとリンドン・B・ジョンソンの支援を受け、1964年の国連会議で発表されたが、建設費の高騰と原子力発電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、放射線被ばく実験に使用され、より正確な線量制限と線量計、および放射線遮蔽の改善につながった。^{[ 22 ]}

1964年に溶融塩原子炉実験が開始され、原子炉が建設されました。1966年から1969年まで稼働し（U-235からU-233燃料への切り替えのため6か月間停止）、溶融塩原子炉の実現可能性を実証するとともに、自身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年に建設された高フラックス同位体原子炉は、当時どの原子炉よりも高い中性子束を有していました。 ^{[ 22 ]} X-10原子炉の成果を上回り、より多くの医療用同位体を生産するとともに、材料研究の忠実度を高めました。^{[ 22 ]}生物学部門の研究者たちは、ガソリンの蒸気、農薬、タバコなど、化学物質がマウスに及ぼす影響を研究しました。^{[ 22 ]}

1960年代後半、資金削減により別の粒子加速器の計画が中止され、米国原子力委員会は増殖炉計画を3分の2削減し、職員数を5,000人から3,800人に削減した。^{[ 22 ]} 1970年代には、核融合発電の可能性が真剣に検討され、ORNLでの研究が始まった。 1971年に稼働を開始したORMAKと呼ばれるトカマクは、プラズマ温度2,000万ケルビン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につながることはなかった。^{[ 22 ]}

1970年代初頭、米国原子力委員会（AEC）は原子炉の安全基準の向上を要求したため、オークリッジ国立研究所（ORNL）の職員は、燃料輸送や耐震性など多くの要素を網羅する100近い要求事項を作成した。1972年、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の生物学者であるピーター・マズールが、液体窒素で凍結し、解凍して代理母にマウスの胚を移植した。生まれたマウスの子は健康であった。^{[ 22 ]}この技術は、貴重な牛の胚を容易に輸送でき、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は不可能なほど多くの子孫を産ませることができるため、畜産業で人気がある。^{[ 22 ]}

1974年、19年間研究所所長を務めたアルビン・ワインバーグは、核融合科学者のハーマン・ポストマに交代した。 ^{[ 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始まった。このプロジェクトは国際的な取り組みであり、3つの電磁石は米国で、1つは日本で、1つはスイスで、最後の1つは残りのヨーロッパ諸国で製造された。^{[ 22 ]} ORNLは、 1979年の事故後、スリーマイル島原子力発電所の炉心への損傷の分析に関与した。^{[ 22 ]}

1980年代にはORNLにさらなる変化がもたらされ、効率性への注力が最優先事項となった。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テストする加速気候シミュレーションチャンバーが構築された。 ^{[ 22 ]} 1950年代の原子炉で始まった材料研究を基盤として、トラックやハイテク自動車のエンジンに使用する耐熱セラミックスの材料研究が行われた。 ^{[ 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と合金のプロジェクトで協力した。レーガンの政府支出削減の経済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た。^{[ 22 ]}  1981年には、25 MVの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に開設された。当時、ホリフィールドは最も幅広い種類のイオン種を持ち、他の加速器の2倍のパワーを持ち、毎年数百人の客員研究員を引き付けていた。^{[ 22 ]}

エネルギー省はORNL周辺の汚染を懸念し、浄化作業を開始した。埋設溝や漏洩したパイプが研究所の下の地下水を汚染し、放射性物質タンクは廃棄物でいっぱいのまま放置されていた。浄化の総費用は数億米ドルに達すると推定された。^{[ 22 ]} 5基の古い原子炉は1987年に安全審査を受け、審査が完了するまで停止するよう命じられた。1989年に高フラックス同位体原子炉が再稼働した時には、米国の特定の医療用同位体の供給は枯渇していた。^{[ 22 ]} 1989年、米国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・ヴァーナドールは、安全規則違反と上司による報復を理由にORNLを訴えた。行政法判事はヴァーナドールに有利な判決を下したが、労働長官ロバート・ライシュはその判決を覆した。しかし、ヴァーナドールの訴訟により、主要請負業者マーティン・マリエッタが安全規則違反で告発され、最終的にはDOE内での内部告発者保護の強化につながった。^{[ 26 ]}

2019年1月、ORNLはプルトニウム238の生産自動化能力における大きなブレークスルーを発表し、年間生産量を50グラムから400グラムに押し上げ、NASAの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いた。^{[ 27 ]}

2026年6月、イラン戦争とその終結に向けた努力の最中、 Axiosは、トランプ特使のジャレッド・クシュナーとスティーブ・ウィトコフが、イランの核開発計画に関する米国とイラン間の将来の核協議に参加する可能性のある核専門家と会うために研究所を訪問したと報じた。^{[ 28 ] [ 29 ]}

オークリッジ国立研究所（ORNL）は、幅広い科学分野にわた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うち2つ以上にまたがって研究を行うことも少なくありません。研究所の主要な研究分野について、以下に簡単に説明します。

• 化学科学：ORNLは、触媒、表面科学および界面化学、分子変換および燃料化学、重元素化学および放射性物質の特性評価、水溶液化学および地球化学、質量分析およびレーザー分光法、分離化学、ポリマーおよびその他の軟質材料の合成および特性評価を含む材料化学、化学生命科学、中性子科学など、多数の分野で基礎研究と応用研究の両方を実施しています。
• 電子顕微鏡：このプログラムは、凝縮系物質、材料科学、化学、ナノ科学における重要な課題を研究します。
• 核医学：研究は、医療用放射性同位元素を提供するための改良された原子炉製造および処理方法の開発、新しい放射性核種発生システムの開発、核医学および腫瘍学への応用を目的とした新しい放射性医薬品の設計と評価に焦点を当てています。
• 物理学：研究は主に、原子、核、および亜核レベルにおける物質の基本的な性質の研究と、これらの研究を支援する実験装置の開発に焦点を当てています。
• 人口: ORNL は、連邦政府、州政府、国際機関に、周辺人口を推定するためのLandscan ^{[ 30 ]}と呼ばれるグリッド状の人口データベースを提供しています。LandScan は、人口カウントのラスター画像、つまりグリッドであり、30 x 30 秒角ごとに人間の人口推定値を提供します。これは、赤道ではおおよそ 1 キロメートル四方のウィンドウまたはグリッド セルの人口推定値に相当し、高緯度ではセルの幅が小さくなります。^{[ 31 ]}多くの人口データセットが存在しますが、LandScan は毎年更新される最良の空間人口データセットです。Landscan データは、 GISアプリケーションおよびPopulation Explorer と呼ばれるUSAID のパブリック ドメイン アプリケーションを通じてアクセスできます。^{[ 32 ]}

材料

2002年から2008年にかけて、ORNLはキャタピラー社と提携し、同社のディーゼルエンジン向けに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。^{[ 63 ]} 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、その結果、高温特性が向上し、同程度のコストで鋳造しやすくなりました。^{[ 63 ]} 2003年に両社は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対して連邦研究所コンソーシアムから「技術移転の卓越性」賞を受賞しました。^{[ 63 ]}

ORNLには高温材料研究所があり、大学、民間企業、その他の政府機関の研究者がその施設を利用できるようになっている。すべての指定ユーザー施設と同様に、高温材料研究所のリソースは、研究成果が公表されれば無料で利用できる。民間の研究も許可されているが、料金が発生する。^{[ 64 ]}

ナノ相材料科学センター（CNMS）は、ナノ材料の挙動と製造について研究しています。同センターは、新しい材料の発見と、ナノ材料の作成を可能にする基礎的な物理的および化学的相互作用の理解を重視しています。^{[ 65 ]} 2012年、CNMSは、既存のリチウムイオン電池よりも理論上のエネルギー密度が3～5倍高い硫化リチウム電池を製造しました。^{[ 66 ]}

高性能コンピューティング

ORNLは、さまざまなスーパーコンピュータの拠点であり、何度か最速のスーパーコンピュータの本拠地となった。^{[ 69 ]} 1953年、ORNLはアルゴンヌ国立研究所と提携し、原子核物理学、化学、生物学、工学の研究用コンピュータであるORACLE （Oak Ridge Automatic Computer and Logical Engine）を構築した。 ^{[ 24 ] [ 69 ] [ 70 ]} ORACLEは2048ワード（80キビット）のメモリを持ち、整数の加算または乗算を実行するのに約590マイクロ秒かかった。 ^{[ 70 ]} 1960年代には、ORNLはIBM 360/91とIBM 360/65を備えていた。^{[ 71 ]} 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、154ギガフロップスの性能を発揮し、スーパーコンピュータのTOP500リストで3位にランクインした。^{[ 69 ] [ 72 ]} 2005年にJaguarが構築されました。これはCray XT3ベースのシステムで、25テラFLOPSの性能を発揮し、2009年には2.3ペタFLOPSの性能を発揮する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。^{[ 73 ] [ 74 ]} Summitは2018年にオークリッジ国立研究所向けに構築され、122.3ペタFLOPSのベンチマークを達成しました。2020年6月現在、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[クロック]スーパーコンピュータであり、日本のスーパーコンピュータ富岳にトップの座を奪われました。^{[ 75 ]} 2022年5月、ORNL Frontierシステムはエクサスケールの壁を破り、^{[ 76 ]} 8,730,112コアを使用して1.102エクサフロップ/秒を達成しました。      

1992年以来、計算科学センターはORNLの高性能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収容する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。 ^{[ 77 ]} 2012年、JaguarはXK7プラットフォームにアップグレードされ、処理の大部分にGPUが使用されるという根本的な変更が行われ、 Titanと改名されました。Titanは17.59 ペタFLOPSの性能を発揮し、2012年11月のTOP500リストで1位を獲得しました。^{[ 78 ]}他のコンピュータには、より大型のマシンが出力するデータを、科学技術研究のための探索的可視化環境（EVEREST）で可視化するための77ノードクラスタが含まれています。EVERESTは、35メガピクセルの投影を表示する10メートル×3 メートル（30フィート×10 フィート）の壁を備えた可視化室です 。^{[ 79 ] [ 80 ]} Smokyは、アプリケーション開発に使用される80ノードのLinuxクラスタです。研究プロジェクトは、Titanなどのより大規模なマシンで実行する前に、Smokyで改良およびテストされます。^{[ 81 ]}

1989年、オークリッジ国立研究所のプログラマーは、仕様の異なる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。 ^{[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]} ORNLとテネシー大学のジャック・ドンガラは、線形代数を計算するために使用されるLINPACKソフトウェアライブラリとLINPACKベンチマーク、およびTOP500組織が使用するスーパーコンピュータの浮動小数点性能を測定する標準的な方法を作成しました。^{[ 69 ] [ 85 ]}

オークリッジ国立研究所の所長を務めた人物は以下のとおりです。^{[ 86 ]}

• アメリカ科学エネルギー博物館
• ブルックヘブン国立研究所
• ナノ相材料科学センター
• K-25ガス拡散プラント
• ロスアラモス国立研究所
• 国立交通研究センター
• 太平洋岸北西部国立研究所
• S-50（マンハッタン計画）
• サンディア国立研究所
• 核破砕中性子源
• トリウムエネルギーアライアンス
• 米国エネルギー省国立研究所および技術センター
• USSオークリッジは1944年に就役した。
• Y-12国家安全保障複合施設

• リンジー・A・フリーマン（2015）『爆弾への憧れ：オークリッジと原子爆弾ノスタルジア』ノースカロライナ州チャペルヒル：ノースカロライナ大学出版局。ISBN 978-1-4696-2237-8。

• 公式サイト
• オークリッジ国立研究所が発行した技術報告書を、技術報告書アーカイブ＆画像ライブラリがデジタル化しました。