探訪神秘橡樹(shù)嶺

編譯 邢鴻飛

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室慶祝成立75周年之際，基特·查普曼（Kit Chapman）探訪了這一原子時(shí)代的發(fā)源地。

美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）

1942年10月，在美國(guó)田納西州諾克斯維爾西部的寧?kù)o山谷里工作的農(nóng)民，從田地里勞作完回來(lái)，看到貼在家門上的告示。美國(guó)軍隊(duì)沿17英里（約27千米）長(zhǎng)的克林奇河挨個(gè)查看了所有的宅地，在蜿蜒的土路穿過(guò)大霧山。告示要求，所有的居民在6個(gè)星期之內(nèi)要永久搬離這片區(qū)域。田納西州的第二次世界大戰(zhàn)已經(jīng)來(lái)臨。

該區(qū)域是由負(fù)責(zé)曼哈頓秘密項(xiàng)目的軍官萊斯利·格羅夫斯（Leslie Groves）準(zhǔn)將為軍事基地精心挑選的。他選擇這個(gè)山谷有幾個(gè)原因：地區(qū)雖然偏遠(yuǎn)，但道路良好，還連接著鐵路；在大蕭條時(shí)期此地還修建了大量的水電大壩，可以保障電力的供應(yīng)；同樣重要的是，山谷有好幾條天然的山脊線，各區(qū)域之間的運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立。對(duì)于制造原子彈而言，這樣的天然屏障非常關(guān)鍵。

到1943年秋天，軍隊(duì)已經(jīng)完全控制了這個(gè)山谷，并以前所未有的規(guī)模對(duì)此地進(jìn)行了改造。兩年之內(nèi)，一個(gè)繁榮的社區(qū)在隔離區(qū)里初見(jiàn)雛形，這里居住著7.5萬(wàn)人，科學(xué)家、士兵和他們的家人。這其中甚至還有后來(lái)的名人，例如助理餐廳經(jīng)理哈蘭·桑德斯（Harland Sanders）后來(lái)創(chuàng)立了肯德基。除了定期有軍用卡車出入外，這個(gè)基地沒(méi)人進(jìn)來(lái)，也沒(méi)人出去。

X-10建筑里的核反應(yīng)堆是曼哈頓項(xiàng)目的核心部分，是橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)的驅(qū)動(dòng)力

大多數(shù)工作人員并不了解他們的秘密任務(wù)，但行動(dòng)的規(guī)模告訴他們?nèi)蝿?wù)的重要性。在其中一個(gè)山谷，有著世界上最大的建筑，K-25氣體擴(kuò)散工廠，占地15.2萬(wàn)平方米，專門用來(lái)進(jìn)行鈾濃縮。另一個(gè)山谷里的Y-12，安放著曼哈頓計(jì)劃里的同位素分離器，用于分離鈾同位素的大型磁體。最后，在一個(gè)簡(jiǎn)陋的、不起眼的、像是舊鋼鐵廠的瓦楞鐵建筑里，放著X-10。世界上第一個(gè)永久核反應(yīng)堆出現(xiàn)的時(shí)候，意大利裔美國(guó)物理學(xué)家和恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）就在里面工作，為第一顆原子彈的設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件。

這個(gè)秘密城市需要一個(gè)名字，以防被外國(guó)間諜無(wú)意中聽(tīng)到，同時(shí)也不能引起任何注意。最終，軍隊(duì)駐扎在橡樹(shù)嶺。75年之后，《化學(xué)世界》編輯部拜訪了他們。

從戰(zhàn)爭(zhēng)到和平

如今，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中最大的科學(xué)和能源實(shí)驗(yàn)室。成立以來(lái)迄今的75年里，一直是美國(guó)科學(xué)成就的動(dòng)力之源。Y-12現(xiàn)在是一個(gè)獨(dú)立設(shè)施，依然屹立山脊，已是國(guó)家的安全中心；X-10反應(yīng)堆仍然保持關(guān)閉，作為核電站誕生的紀(jì)念碑保存。

實(shí)驗(yàn)室前副主任，2017年12月退休的詹姆斯·羅伯托（James Roberto）解釋說(shuō)，“戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束時(shí)，我們擁有了世界上最好的中子源?！庇冉稹ぞS格納（Eugene Wigner，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、物理學(xué)家）在考慮，為什么不在周圍建一個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室呢？美國(guó)當(dāng)時(shí)正在努力建設(shè)商業(yè)核能工業(yè)，并需要一個(gè)可以用于燃料和分離化學(xué)的反應(yīng)堆。在曼哈頓計(jì)劃之外，沒(méi)有人知道核反應(yīng)堆——因此橡樹(shù)嶺協(xié)助開(kāi)發(fā)了核工程，培訓(xùn)了數(shù)千名核工程師，甚至幫助美國(guó)海軍發(fā)展了核潛艇。

“在曼哈頓計(jì)劃之后，我們也開(kāi)發(fā)了中子散射，由此我們第一次獲得諾貝爾獎(jiǎng)（1994年獲得），我們開(kāi)始生產(chǎn)并分銷放射性同位素藥物。那是我們首次重大的技術(shù)轉(zhuǎn)讓行為，現(xiàn)在它已經(jīng)形成一個(gè)數(shù)十億美元的產(chǎn)業(yè)。那時(shí)我們制造了碘-131、磷-32和碳-14，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有其他人能制造出來(lái)?，F(xiàn)在，我們?nèi)匀恢圃炱渌魏稳硕紵o(wú)法制造的同位素，包括用于發(fā)現(xiàn)新元素的靶元素。例如，117號(hào)元素（Tennessine）就是2010年使用锫靶元素發(fā)現(xiàn)的新元素，這正是橡樹(shù)嶺曾對(duì)科學(xué)作出貢獻(xiàn)的有力證明。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室不再只專注原子能研究。它擁有美國(guó)最大的材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)和最多樣化的能源團(tuán)隊(duì)。在其中一間實(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)正在3D打印一艘完整的潛水艇（在此之前，他們?cè)谱髁艘粋€(gè)20世紀(jì)60年代款的謝爾比眼鏡蛇跑車，在底特律車展上展出——實(shí)在太逼真，研究人員不得不掛出牌子，告知大家它是3D打印作品）；在另一間實(shí)驗(yàn)室，他們建造了世界上最小的中微子探測(cè)器，最新又補(bǔ)充了散裂中子源，它提供了世界上最強(qiáng)烈的脈沖中子束，用于探測(cè)各種材料，并能在所有科學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

一旦經(jīng)過(guò)了崗哨，在毫無(wú)察覺(jué)時(shí)你就已經(jīng)接觸到安全設(shè)施了。站在中央?yún)^(qū)域感覺(jué)更像是在一個(gè)大學(xué)校園里。在廣闊的路面上行駛，成群的野火雞在林間悠閑，讓人覺(jué)得這里簡(jiǎn)直就是鄉(xiāng)間田園，而不是擁有4 700名員工、每年4 000名訪問(wèn)學(xué)者、年預(yù)算達(dá)15億美元的科學(xué)研究基地。羅伯托說(shuō)：“這一預(yù)算用于資助1 000多個(gè)不同的項(xiàng)目，我們會(huì)為所有項(xiàng)目爭(zhēng)取資金。所有的運(yùn)營(yíng)支持和工作人員工資都來(lái)自這些項(xiàng)目，不再有其他資金來(lái)源?！?/p>

羅伯托說(shuō)，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，至少十年就會(huì)帶來(lái)10億美元的創(chuàng)新價(jià)值?！斑@是田納西州，不是加州?！彼χf(shuō)。

高通量和高放射性實(shí)驗(yàn)室

我站在一間控制室里，看起來(lái)像是科幻電影里才有的東西。透過(guò)觀景廊往下看，就像一個(gè)誘人的池子。但這里并非你想要游泳的地方——在它的底部，17英尺（5米）以下，是核反應(yīng)堆的頂部。高通量同位素反應(yīng)堆（HFIR）是1965年在橡樹(shù)嶺建造的第13個(gè)反應(yīng)堆，也是目前唯一仍在使用的反應(yīng)堆。

國(guó)家實(shí)驗(yàn)室涉及的領(lǐng)域已經(jīng)遠(yuǎn)不止核化學(xué)，甚至還有3D打印大馬力跑車（又稱“肌肉車”）

在池中，你可以看到控制室的反應(yīng)堆容器頂部和之前的反應(yīng)堆循環(huán)使用的乏燃料氣缸。其中一個(gè)發(fā)出鐵藍(lán)色光輝，將一種奇怪的光投射到水中。這是切倫科夫輻射，泄漏裂變所釋放出的粒子在水中傳播的速度比光在水中傳播的速度還快。在反應(yīng)堆中，一個(gè)單一的燃料氣缸被一英尺（約0.3米）厚的鈹所包圍，將中子反射回核心，使反應(yīng)堆達(dá)到臨界。一旦出現(xiàn)任何問(wèn)題，由電磁鐵支撐的安全板，就會(huì)充當(dāng)安全裝置而墜毀。

凱文·史密斯（Kevin Smith），反應(yīng)堆研究部門的副主任，也是我此行的向?qū)?，把我?guī)У揭粋€(gè)虛擬的圓柱體前，讓我往里面看。圓柱有2英尺長(zhǎng)（約0.6米），其內(nèi)部有3個(gè)較小的氣缸——從頂部看起來(lái)像一只牛眼。外部和中間部分填充了540個(gè)金屬板，為冷卻劑裝入提供一個(gè)恒定的寬度。在其中心，一個(gè)5英寸（12厘米）大小的孔眼可以撐住靶棒，再被浸泡入中子，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為更重的元素。

高通量同位素反應(yīng)堆可以產(chǎn)生奇特的超鈾元素

燃料棒發(fā)出特有的藍(lán)光，這便是切倫科夫輻射

靶棒內(nèi)裝有用于進(jìn)入反應(yīng)堆處理的材料

史密斯解釋說(shuō)：“這是一個(gè)通量阱。中子泄漏到中心并達(dá)到峰值通量?！彼麖臍飧椎闹行某槌鲆桓鶅捎⒊撸s0.6米）長(zhǎng)的棒子，粗細(xì)像鉛筆一樣，“你把上面的部分?jǐn)Q下來(lái)，然后可以放入7只兔子。粗略估算，如果你正在設(shè)計(jì)一個(gè)全尺寸實(shí)驗(yàn)，至少需要幾十萬(wàn)美元。光是這些小兔子就值1萬(wàn)美元?！?/p>

一個(gè)反應(yīng)堆周期約為25天，產(chǎn)品的范圍從微量的鐨到美國(guó)宇航局（NASA）用來(lái)為火星探測(cè)器或旅行者號(hào)探測(cè)器提供動(dòng)力的钚-238。目前，該反應(yīng)堆正在生產(chǎn)锎-252，完成需要4個(gè)周期。高通量同位素反應(yīng)堆是世界上僅有的2個(gè)能夠生產(chǎn)可測(cè)量的超鋦元素的設(shè)施之一，另一個(gè)位于俄羅斯的季米特洛夫格勒。

材料一旦被創(chuàng)造出來(lái)，就必須隔離。在不遠(yuǎn)的山上，坐落著強(qiáng)放射性實(shí)驗(yàn)室。在橡樹(shù)嶺，這些實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)直像核和放射化學(xué)運(yùn)行的“心臟”。Cf-252項(xiàng)目經(jīng)理朱莉·埃茲沃爾德（Julie Ezold）解釋道:“墻壁是54英寸（約1.3米）的混凝土，每扇窗戶都有3～8英寸（7.6～20.3厘米）厚度的含鉛玻璃，玻璃中間都是礦物油?！辈僮鲉T每天工作12小時(shí)再換班。酸堿化學(xué)用來(lái)將靶材料從鋁基體中分離出來(lái)。然后在一圓柱中使用α-羥基異丁酸，分離出每一個(gè)靶元素。埃茲沃爾德說(shuō)：“這是純化學(xué)實(shí)驗(yàn)，只是多了一點(diǎn)輻射而已。我仍然認(rèn)為這不是生產(chǎn)過(guò)程，而是完整的實(shí)驗(yàn)過(guò)程?！?/p>

操作輻射室隔間本身就是一門藝術(shù)，實(shí)驗(yàn)室每個(gè)密封裝置都可以叫做隔間。機(jī)械手臂穿過(guò)玻璃進(jìn)入輻射室的狹窄空間，熟練地操作，其金屬爪可以在里面操作微量吸液管。觀摩研究小組的工作真是令人著迷：操作過(guò)程如專業(yè)的芭蕾舞旋轉(zhuǎn)和輕盈彈跳。光是知曉所有路線和管道的位置就夠難了——在輻射室的天花板上，所有的東西都像意大利面條一樣懸掛著。有時(shí)團(tuán)隊(duì)使用鏡子來(lái)了解進(jìn)展情況，有時(shí)候操作者需要測(cè)位儀。提取過(guò)程如此精確，才可以獲得毫微克的質(zhì)量。埃茲沃爾德說(shuō)：“它們太有魔力了，這是科學(xué)和藝術(shù)的結(jié)合?！?/p>

科學(xué)家操作機(jī)械手臂以“把控”輻射材料，技術(shù)要求極高

大型計(jì)算機(jī)泰坦

記住泰坦

高通量同位素反應(yīng)堆和輻射室的山脊背后是一個(gè)巨大的白色房間，就像科幻電影里的場(chǎng)景。白色的地板，白色的墻壁，白色的天花板。你需要護(hù)耳器來(lái)隔開(kāi)持續(xù)的嗡嗡聲，一件厚的襯衫來(lái)抵御制冷劑帶來(lái)的寒氣。前方映入眼簾的是一排柜機(jī)，上面閃亮著一個(gè)詞：Titan（泰坦）。這是世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一（一共8個(gè)）。領(lǐng)銜計(jì)算設(shè)施項(xiàng)目總監(jiān)巴迪·布蘭德（Buddy Bland）說(shuō)：“這基本上有一個(gè)籃球場(chǎng)大小。”

超級(jí)計(jì)算機(jī)速度的測(cè)量方法是一秒鐘的浮點(diǎn)運(yùn)算（flop，即每秒浮點(diǎn)計(jì)算）。泰坦的前身——美洲豹，計(jì)算速度在每秒0.26億次浮點(diǎn)運(yùn)算（2.6×1015flops）。2009年那會(huì)，它是世界上速度最快的計(jì)算機(jī)，但即便如此，還是太慢。布蘭德解釋說(shuō)：“用戶告訴我們，他們無(wú)法在既定的時(shí)間內(nèi)解決一些問(wèn)題。”后來(lái)泰坦取而代之。它的最大處理能力是每秒2.7億次浮點(diǎn)運(yùn)算，2012年開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，它獲得了超級(jí)計(jì)算機(jī)的王冠。

泰坦在很多方面都只是一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)。它是Linux操作系統(tǒng)，連接互聯(lián)網(wǎng)（作為研究網(wǎng)絡(luò)的主要樞紐之一，它與歐洲核子研究中心、日本及其他國(guó)家有直接的光纖連接），并且可以像普通的PC機(jī)一樣開(kāi)啟和關(guān)閉。當(dāng)然，橡樹(shù)嶺的工作規(guī)模截然不同。泰坦的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)6 GB的圖形處理器和32 GB的中央處理器，比市場(chǎng)上的任何游戲控制臺(tái)都要強(qiáng)大。泰坦有18 688個(gè)這樣的節(jié)點(diǎn)一起同時(shí)工作——56 640個(gè)核——記錄大約2萬(wàn)個(gè)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器可以容納大約32 pb的數(shù)據(jù)，并能以每秒1 tb的速度從泰坦中傳輸數(shù)據(jù)。

如此強(qiáng)大的處理能力需要巨大的能量。泰坦的供電電纜的銅線都以英寸計(jì)，以滿足其大電量的需求。布蘭德說(shuō)：“這臺(tái)機(jī)器使用的功率為9兆瓦。整個(gè)橡樹(shù)嶺城市才使用100兆瓦的電力?！睓C(jī)柜的熱空氣吹出來(lái)溫度將近50℃，但經(jīng)過(guò)四氟乙烷的持續(xù)冷卻后降到20℃。偶爾會(huì)出現(xiàn)斷電，但不會(huì)影響系統(tǒng)。

與大多數(shù)研究計(jì)算機(jī)不同，泰坦只服務(wù)那些確需要超級(jí)計(jì)算機(jī)的項(xiàng)目。布蘭德說(shuō)：“我們提供的高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)資源，比其他地方的開(kāi)放科學(xué)研究的系統(tǒng)要強(qiáng)大10～100倍。世界上任何人都可以申請(qǐng)使用它。通常我們會(huì)說(shuō)，‘如果因?yàn)轶w積太大，或者要花費(fèi)太多時(shí)間，你在別的地方不能做，那就到我們這來(lái)做?！@就是為什么它被稱作‘頂級(jí)計(jì)算機(jī)設(shè)備’?！?/p>

盡管泰坦的能力驚人，但它注定是要被替代的。按計(jì)算速度來(lái)排行的話，目前它在世界最快計(jì)算機(jī)排行上只排在第5。對(duì)于布蘭德的用戶來(lái)說(shuō)，速度還不夠快。橡樹(shù)嶺已經(jīng)在建造一個(gè)新機(jī)器，起名Summit。預(yù)計(jì)Summit的計(jì)算能力將達(dá)到20兆次浮點(diǎn)運(yùn)算，很可能成為世界上超級(jí)計(jì)算機(jī)之最。一旦Summit運(yùn)作開(kāi)始，泰坦就會(huì)被淘汰。他估計(jì)：“我們可能會(huì)有半年到一年的重疊期。一旦Summit啟動(dòng)，泰坦就會(huì)被關(guān)掉，不再使用。”

納米材料科學(xué)中心有專門的電子顯微鏡

納米級(jí)的世界

計(jì)算機(jī)并非發(fā)展迅速的唯一領(lǐng)域。橡樹(shù)嶺納米材料科學(xué)中心主任漢斯·克里森（Hans Christen）說(shuō)：“橡樹(shù)嶺擁有尖端技術(shù)的顯微鏡，可以做你現(xiàn)在在其他地方都做不了的事情。橡樹(shù)嶺最新添加的是尼康的儀器，一種單色掃描透射電子顯微鏡。它的能量分辨率大約10兆電子伏，進(jìn)入了中子級(jí)的探測(cè)范圍?！边@使得以納米尺度來(lái)測(cè)量電路中的熱量變化成為可能，而這也基本達(dá)到了溫度概念中的最低點(diǎn)。

克里森表示，當(dāng)用戶不能獨(dú)立完成任務(wù)時(shí)，他們會(huì)來(lái)這里。在另一個(gè)使用電子顯微鏡的例子中，他展示了在硅晶體和無(wú)定形區(qū)域之間的界面上，電子束通過(guò)發(fā)光使非晶材料結(jié)晶。光束甚至可以用來(lái)寫你的名字?！澳遣糠直容^無(wú)聊?！笨死锷柫寺柤?。改變結(jié)構(gòu)可以讓你在納米級(jí)別封裝膠囊，或者在石墨烯上鉆洞。他說(shuō)：“我們正在轉(zhuǎn)向把顯微鏡當(dāng)作一種操作材料的工具?！?/p>

這次探秘很好地說(shuō)明了橡樹(shù)嶺如何解決威利·旺卡巧克力工廠的問(wèn)題。有一臺(tái)氦離子顯微鏡，不使用電子，與樣品表面的一個(gè)更小的區(qū)域相互作用，從而產(chǎn)生比掃描電子顯微鏡更高的分辨率?？死锷忉屨f(shuō)：“這樣的設(shè)備世界上大約只有10臺(tái)。這是能做的最高空間分辨率的化學(xué)成像。”在隔壁房間，他們正在用純金建造3D納米結(jié)構(gòu)，有一天可能用于分子機(jī)器、電極通道，甚至是3D籠子來(lái)捕捉單個(gè)生物細(xì)胞。在接下來(lái)的研究中，銅納米顆粒被沉積在碳釘上，在二氧化碳的電化學(xué)催化下直接產(chǎn)生乙醇，這可能是垃圾轉(zhuǎn)化為燃料的重大突破。

納米級(jí)的世界發(fā)展迅速。就像過(guò)去75年里在橡樹(shù)嶺所做的一切一樣，重點(diǎn)是領(lǐng)先，而不是保持同步。“這是一場(chǎng)持續(xù)的比賽，對(duì)嗎?”克里森說(shuō):“我們有一些小東西，它們一到這里就會(huì)變得過(guò)時(shí)。如果我們什么都不做，仍然會(huì)擁有比現(xiàn)在的大多數(shù)大學(xué)更好的東西，但我們不會(huì)在這一領(lǐng)域長(zhǎng)期保持領(lǐng)先地位?！?/p>

克里森笑著說(shuō)出了自己的口頭禪：“我們創(chuàng)造的儀器獨(dú)一無(wú)二，這是其他儀器無(wú)法做到的。這才是王道！也是我們要去做的！”