Laboratorio Nacional Argonne

Laboratorio Nacional Argonne

Vista aérea del Laboratorio Nacional de Argonne
Establecido	8 de febrero de 1946 ; hace 78 años ( 08-02-1946 )
Tipo de investigación	Investigación
Presupuesto	1.100 millones de dólares (2022) [1]
Campo de investigación	Ciencia física Ciencia de la vida Ciencia ambiental Ciencia de la energía Ciencia de los fotones Ciencia de datos Ciencia computacional
Director	Pablo Kearns
Personal	3400
DIRECCIÓN	Avenida Cass 9700 S.
Ubicación	Lemont , municipio de Downers Grove, condado de DuPage , Illinois, EE. UU.
Campus	1.700 acres (6,9 km2 )
Afiliaciones	Departamento de Energía de los Estados Unidos Universidad de Chicago Ingeniería Jacobs
Agencia operadora	Universidad de Chicago Argonne LLC
Premios Nobel	Enrico Fermi María Goeppert Mayer Alexei Alexeyevich Abrikosov
Sitio web	www.anl.gov

El Laboratorio Nacional Argonne es un centro de investigación y desarrollo financiado por el gobierno federal en Lemont , Illinois , Estados Unidos. Fundado en 1946, el laboratorio es propiedad del Departamento de Energía de los Estados Unidos y está administrado por UChicago Argonne LLC de la Universidad de Chicago . ^{[2] [3]} La instalación es el laboratorio nacional más grande del 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. ^[4] En sus primeras décadas, el laboratorio fue un centro para el uso pacífico de la física nuclear ; casi todas las plantas de energía nuclear comerciales en funcionamiento en todo el mundo tienen raíces en la investigación de Argonne. ^[5] Más de 1.000 científicos realizan investigaciones en el laboratorio, en los campos de almacenamiento de energía y energía renovable ; investigación fundamental en física , química y ciencia de los materiales ; sostenibilidad ambiental ; supercomputación ; y seguridad nacional .

Anteriormente, Argonne 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 . ^[6]

Argonne es parte del corredor de investigación y tecnología de Illinois en expansión .

Argonne tiene cinco áreas de enfoque, según lo establecido por el laboratorio en 2022, que incluyen el descubrimiento científico en ciencias físicas y biológicas; investigación energética y climática; avances en seguridad global para proteger a la sociedad; operación de instalaciones de investigación que apoyan a miles de científicos e ingenieros de todo el mundo; y desarrollo de la fuerza laboral científica y tecnológica. ^[7]

Argonne comenzó en 1942 como Laboratorio Metalúrgico , parte del Proyecto Manhattan en la Universidad de Chicago . El Met Lab construyó Chicago Pile-1 , el primer reactor nuclear del mundo , bajo las gradas del estadio deportivo de la Universidad de Chicago. En 1943, CP-1 fue reconstruido como CP-2, en el Bosque Argonne , una reserva forestal en las afueras de Chicago. Las instalaciones del laboratorio construidas aquí se conocieron como Sitio A.

El 1 de julio de 1946, el Sitio A del "Laboratorio Metalúrgico" fue rebautizado formalmente como Laboratorio Nacional Argonne para "investigación cooperativa en nucleónica". A pedido de la Comisión de Energía Atómica de los Estados Unidos , comenzó a desarrollar reactores nucleares para el programa de energía nuclear pacífica del país. A fines de la década de 1940 y principios de la de 1950, el laboratorio se trasladó al oeste a una ubicación más grande en el condado no incorporado de DuPage y estableció una ubicación remota en Idaho , llamada "Argonne-West", para realizar más investigaciones nucleares.

Los primeros esfuerzos del laboratorio se centraron en el desarrollo de diseños y materiales para producir electricidad a partir de reacciones nucleares. El laboratorio diseñó y construyó Chicago Pile 3 (1944), el primer reactor moderado por agua pesada del mundo , y el reactor reproductor experimental I (Chicago Pile 4) en Idaho, que encendió una serie de cuatro bombillas con la primera electricidad generada nuclearmente del mundo en 1951. El reactor de la central eléctrica BWR , ahora el segundo diseño más popular en todo el mundo, surgió de los experimentos con BORAX .

Los conocimientos adquiridos en los experimentos de Argonne sirvieron de base para el diseño de la mayoría de los reactores comerciales utilizados en todo el mundo para la generación de energía eléctrica, y sirven de base para los diseños actuales en evolución de reactores de metal líquido para futuras centrales eléctricas.

Mientras tanto, el laboratorio también estaba ayudando a diseñar el reactor para el primer submarino de propulsión nuclear del mundo , el USS Nautilus , que navegó durante más de 513.550 millas náuticas (951.090 km) y proporcionó una base para la armada nuclear de los Estados Unidos .

Sin embargo, no toda la tecnología nuclear se utilizó para desarrollar reactores. En 1957, mientras diseñaba un escáner para elementos de combustible de reactores, el físico de Argonne William Nelson Beck introdujo su propio brazo dentro del escáner y obtuvo una de las primeras imágenes de ultrasonido del cuerpo humano. ^[8] Los manipuladores remotos diseñados para manejar materiales radiactivos sentaron las bases para máquinas más complejas que se utilizaban para limpiar áreas contaminadas, laboratorios sellados o cuevas. ^[9]

Además de los trabajos nucleares, el laboratorio realizaba investigaciones básicas en física y química . En 1955, los químicos de Argonne descubrieron conjuntamente los elementos einstenio y fermio , elementos 99 y 100 de la tabla periódica . ^[10]

En 1962, los químicos de Argonne produjeron el primer compuesto del gas noble inerte xenón , abriendo un nuevo campo de investigación sobre enlaces químicos. ^[11] En 1963, descubrieron el electrón hidratado . ^[12]

Se eligió Argonne 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 seguir los movimientos de las partículas subatómicas a medida que pasaban por la cámara; más tarde observaron el neutrino en una cámara de burbujas de hidrógeno por primera vez. ^[13]

En 1964, el reactor "Janus" se inauguró para estudiar los efectos de la radiación de neutrones en la vida biológica, proporcionando investigación para directrices sobre niveles seguros de exposición para trabajadores en plantas de energía, laboratorios y hospitales. ^[14] Los científicos de Argonne fueron pioneros en una técnica para analizar la superficie de la Luna utilizando radiación alfa , que se lanzó a bordo del Surveyor 5 ^[15] en 1967 y más tarde analizaron muestras lunares de la misión Apolo 11 .

En 1978 se inauguró el Sistema Acelerador Linac Tándem Argonne (ATLAS), el primer acelerador superconductor del mundo para proyectiles más pesados ​​que el electrón. ^[16]

Los experimentos de ingeniería nuclear durante este tiempo incluyeron el reactor experimental de agua en ebullición , el precursor de muchas plantas nucleares modernas, y el reactor reproductor experimental II (EBR-II), que estaba refrigerado por sodio e incluía una instalación de reciclaje de combustible. El EBR-II fue modificado más tarde 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 reprocesaba su propio combustible, reducía sus desechos atómicos y resistía pruebas de seguridad de las mismas fallas que desencadenaron los desastres de Chernóbil y Three Mile Island . ^[17] Sin embargo, en 1994, el Congreso de los EE. UU. terminó la financiación de la mayor parte de los programas nucleares de Argonne.

Argonne pasó a especializarse en otras áreas, al tiempo que 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 plasma wakefield , que acelera partículas en distancias mucho más cortas que los aceleradores convencionales. ^[18] También cultivó un sólido programa de investigación de baterías .

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

El laboratorio continuó desarrollándose como un centro de investigación energética, así como un sitio para instalaciones científicas demasiado grandes para ser albergadas en universidades.

A principios de la década de 2000, se fundó el Argonne Leadership Computing Facility, que albergaba varias supercomputadoras , varias de las cuales se encontraban entre las 10 más potentes del mundo en el momento de su construcción. El laboratorio también construyó el Centro de Materiales a Nanoescala para realizar investigaciones sobre materiales a nivel atómico y amplió enormemente sus programas de investigación sobre baterías y tecnología cuántica. ^[19]

En marzo de 2019, el Chicago Tribune informó que el laboratorio estaba construyendo la supercomputadora más poderosa del mundo. Con un costo de 500 millones de dólares, tendrá una capacidad de procesamiento de 1 trillón de FLOPS . Las aplicaciones incluirán el análisis de estrellas y mejoras en la red eléctrica. ^[20]

• Ciencias de rayos X duros : Argonne alberga una de las fuentes de luz de alta energía más grandes del mundo: la Fuente Avanzada de Fotones (APS). Cada año, los científicos hacen miles de descubrimientos mientras utilizan la APS para caracterizar materiales orgánicos e inorgánicos e incluso procesos, como la forma en que los inyectores de combustible de los vehículos rocían gasolina en los motores. ^[21]
• Computación de 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 petaescala a exaescala , desarrollar nuevos códigos y entornos informáticos y expandir los esfuerzos computacionales para ayudar a resolver desafíos científicos. Por ejemplo, en octubre de 2009, el laboratorio anunció que se embarcaría en un proyecto conjunto para explorar la computación en la nube con fines científicos. ^[22] En la década de 1970, Argonne tradujo los programas de álgebra lineal numérica de Numerische Mathematik 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 deseadas de los materiales. Entre otras innovaciones, los científicos de Argonne ayudaron a desarrollar una suspensión de hielo para enfriar los órganos de las víctimas de ataques cardíacos, ^[23] describieron qué hace que los diamantes sean resbaladizos a nivel nanométrico , ^[24] y descubrieron un material superaislante que resiste el flujo de corriente eléctrica de manera más completa que cualquier otro material anterior. ^[25]
• Almacenamiento de energía eléctrica : Argonne desarrolla baterías para la tecnología de transporte eléctrico y el almacenamiento en red para fuentes de energía intermitentes como la eólica o la solar , así como los procesos de fabricación necesarios para estos sistemas de uso intensivo de materiales. El laboratorio ha estado trabajando en la investigación y el desarrollo de materiales avanzados para baterías durante más de 50 años. ^[26] 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. ^[27] Argonne también mantiene una instalación de prueba de baterías independiente, que prueba baterías de muestra tanto del gobierno como de la industria privada para ver qué tan bien funcionan con el tiempo y bajo tensiones de calor y frío. ^[28]
• Energía alternativa y eficiencia : Argonne desarrolla combustibles químicos y biológicos adaptados a los motores actuales, así como esquemas de combustión mejorados para las tecnologías de motores futuras. El laboratorio también ha recomendado las mejores prácticas para conservar el combustible; por ejemplo, un estudio que recomendó instalar calentadores auxiliares en la cabina de los camiones en lugar de dejar el motor en ralentí. ^[29] Mientras tanto, el programa de investigación de energía solar se centra en dispositivos y sistemas de combustible solar y solar-eléctrico que sean escalables y económicamente competitivos con las fuentes de energía fósil . ^[30] 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 las interfaces. ^[31]
• Energía nuclear : Argonne genera tecnologías avanzadas de reactores y ciclos 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 nucleares de la futura generación . ^[32] Otro proyecto estudia cómo reprocesar el combustible nuclear gastado , de modo que los desechos se reduzcan hasta en un 90%. ^[33]
• Sistemas biológicos y ambientales : Para comprender el efecto local del cambio climático es necesario integrar las interacciones entre el medio ambiente y las actividades humanas. Los científicos de Argonne estudian estas relaciones desde la molécula hasta el organismo y el ecosistema. Los programas incluyen la biorremediación utilizando árboles para extraer contaminantes de las aguas subterráneas ; ^[34] biochips para detectar cánceres de forma más temprana; ^[35] un proyecto para atacar células cancerosas utilizando nanopartículas ; ^[36] metagenómica del suelo ; y una instalación para usuarios para el proyecto de investigación sobre el cambio climático Atmospheric Radiation Measurement . ^[37]
• Seguridad nacional : Argonne desarrolla tecnologías de seguridad que evitarán y mitigarán eventos con potencial de causar perturbaciones o destrucción masiva. Estas incluyen sensores que pueden detectar materiales químicos, biológicos, nucleares y explosivos; ^[38] máquinas portátiles de radiación de terahercios ("rayos T") que detectan materiales peligrosos con mayor facilidad que los rayos X en los aeropuertos; ^[39] y el seguimiento y modelado de las posibles rutas de los productos químicos liberados en un metro. ^[40]

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, el mundo académico, otros laboratorios nacionales y organizaciones científicas internacionales.

• Fuente avanzada de fotones (APS): una instalación nacional de investigación de rayos X de sincrotrón que produce los haces de rayos X más brillantes del hemisferio occidental . ^[41]
• Centro de Materiales a Nanoescala (CNM): una instalación para usuarios ubicada en la APS que proporciona infraestructura e instrumentos para estudiar la nanotecnología y los nanomateriales . El CNM es uno de los cinco Centros de Investigación de Ciencias a Nanoescala de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos. ^[42]
• Sistema de Acelerador Linac en Tándem Argonne (ATLAS): ATLAS es el primer acelerador de partículas superconductor del mundo para iones pesados ​​a energías cercanas a la barrera de Coulomb . Este es el dominio energético adecuado para estudiar las propiedades del núcleo, el núcleo de la materia y el combustible de las estrellas. ^[43]
• Argonne Leadership Computing Facility (ALCF): una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía que proporciona recursos de supercomputación a la comunidad de investigación para posibilitar avances en ciencia e ingeniería.

• El Centro de Materiales Avanzados para Sistemas de Energía y Agua ^{[44] (AMEWS, por sus siglas en inglés) es un centro de investigación de vanguardia en materia de energía patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos. Dirigido por el Laboratorio Nacional Argonne e incluyendo a la} Universidad de Chicago y la Universidad Northwestern como socios, AMEWS trabaja para resolver los desafíos que existen en la interfaz entre el agua y los materiales que componen los sistemas que manejan, procesan y tratan el agua.
• Centro de Microscopía Electrónica (EMC): una de las tres instalaciones científicas para usuarios apoyadas por el DOE para la microcaracterización por haz de electrones. El EMC lleva a cabo estudios in situ de transformaciones y procesos defectuosos, modificación de haces de iones y efectos de la irradiación, superconductores, ferroeléctricos e interfaces. Su microscopio electrónico de voltaje intermedio, que está acoplado a un acelerador, representa el único sistema de este tipo en los Estados Unidos. ^[45]
• Centro de Biología (SBC): El SBC es una instalación para usuarios ubicada junto a la instalación de rayos X de la Fuente Avanzada de Fotones, que se especializa en cristalografía macromolecular . Los usuarios tienen acceso a un dispositivo de inserción, un imán de flexión y un laboratorio de bioquímica. Las líneas de luz del SBC se utilizan a menudo para mapear las estructuras cristalinas de las proteínas ; en el pasado, los usuarios han obtenido imágenes de proteínas de ántrax , bacterias que causan meningitis , salmonela y otras bacterias patógenas . ^[46]
• El servidor del sistema de optimización habilitado en red (NEOS) es el primer entorno de resolución de problemas habilitado en red para una amplia gama de aplicaciones en los ámbitos empresarial, científico e ingenieril. Incluye solucionadores de última generación en programación entera, optimización no lineal, programación lineal , programación estocástica y problemas de complementariedad. La mayoría de los solucionadores NEOS aceptan entradas en el lenguaje de modelado AMPL .
• El Centro Conjunto para la Investigación del Almacenamiento de Energía (JCESR, por sus siglas en inglés) es un consorcio de varios laboratorios nacionales, instituciones académicas y socios industriales con sede en el Laboratorio Nacional Argonne. La misión del JCESR es diseñar y construir materiales transformadores que permitan baterías de próxima generación que satisfagan todas las métricas de rendimiento para una aplicación determinada. ^{[47] [48]}
• El Centro Integrado de Materiales Computacionales del Medio Oeste (MICCoM) tiene su sede en el laboratorio. MICCoM desarrolla y difunde software , datos y procedimientos de validación de código abierto interoperables para simular y predecir propiedades de materiales funcionales para procesos de conversión de energía . ^{[49] [50]}
• El Centro ReCell es una colaboración nacional de la industria, el mundo académico y laboratorios nacionales, liderado por el Laboratorio Nacional Argonne, que trabaja para promover las tecnologías de reciclaje a lo largo de todo el ciclo de vida de la batería. El centro tiene como objetivo hacer crecer una industria de reciclaje de baterías avanzada y sostenible mediante el desarrollo de procesos de reciclaje económicos y ambientalmente racionales que puedan ser adoptados por la industria para las baterías de iones de litio y futuras.

Argonne da la bienvenida a todo el público mayor de 16 años para realizar visitas guiadas a las instalaciones y los terrenos científicos y de ingeniería. Para los niños menores de 16 años, Argonne ofrece actividades de aprendizaje práctico adecuadas para excursiones escolares desde jardín de infantes hasta 12.º grado. El laboratorio también organiza actividades de divulgación científica y de ingeniería educativas para las escuelas de los alrededores.

Los científicos e ingenieros de Argonne participan en la formación de casi 1.000 estudiantes universitarios de posgrado e investigadores postdoctorales cada año como parte de sus actividades de investigación y desarrollo. ^{[ cita requerida ]}

A lo largo de su historia, 13 personas han ocupado el cargo de 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
• 1984–1996 Alan Schriesheim
• 1996–1998 Decano E. Eastman
• 1999–2000 Yoon Il Chang
• 2000–2005 Hermann A. Grunder
• 2005–2008 Robert Rosner
• 2009–2014 Eric Isaacs
• 2014–2016 Peter Littlewood
• 2017-presente Paul Kearns ^[51]

Partes importantes de la película de persecución de 1996 Reacción en cadena se filmaron en la sala del anillo del Sincrotrón de Gradiente Cero y en el antiguo laboratorio del Demostrador de Deuterio de Onda Continua. ^[52]

• Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada-Energía
• Demostración automática de teoremas
• Espectrómetro de trampa de penning canadiense
• Centro para el Avance de la Ciencia en el Espacio —opera el Laboratorio Nacional de Estados Unidos en la ISS.
• Gammaesfera
• Nanofluido
• Experimento Cherenkov de imágenes de trayectorias

• Laboratorio Nacional Argonne, 1946-1996 . Jack M. Holl, Richard G. Hewlett, Ruth R. Harris. University of Illinois Press , 1997. ISBN 978-0-252-02341-5 . 
• Física nuclear: una introducción . SB Patel. New Age International Ltd., 1991. ISBN 81-224-0125-2 . 
• Resumen del trabajo de química nuclear en Argonne , Martin H. Studier, Informe del Laboratorio Nacional de Argonne, desclasificado el 13 de junio de 1949.

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• Argonne Software: software de código abierto y disponible comercialmente en o cerca de la fase de "envoltorio retráctil"
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• Informes históricos del Laboratorio Nacional Argonne digitalizados por el proyecto TRAIL , alojado en las bibliotecas de la Universidad del Norte de Texas y HathiTrust

41°42′33″N 87°58′55″O / 41.709166, -87.981992