劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL, Livermore, CA)成立于1952年,当时正值冷战最激烈的时期,通过推进核武器科学和技术来满足国家安全的迫切需要。作为美国能源部(DOE)的实验室之一,LLNL首次取得重大突破,设计了一种用于导弹的热核弹头,这种导弹可以从高度生存的潜艇上发射。该实验室继续开发了第一批紧凑的高当量弹头,使每枚弹道导弹都能携带数枚弹头。核聚变能和高级计算的项目也是该实验室最初的研究组合的一部分。在20世纪50年代,LLNL获得了第一台UNIVAC计算机,以及随后越来越强大和更快的计算机的“第一版”。

研究人员使用在LLNL开发的无毒气溶胶跟踪器来研究空中的生物制剂如何通过纽约市地铁系统分散。

20世纪60年代,对和平利用核爆炸的探索催生了实验室的生物科学和环境项目。LLNL和洛斯阿拉莫斯国家实验室的生物技术开发——如染色体生物标记和高速细胞分选器——使1987年启动人类基因组计划成为可能。这个多实验室计划发展成为一个国际努力,在2000年完成了人类基因组测序。LLNL的生物科学项目现在正在为国家打击生物恐怖主义的威胁做出贡献。

20世纪60年代开始的环境项目已经导致了在超级基金站点使用的新型地下水修复技术——这些模型有助于理解人类对全球气候变化的影响,并在LLNL建立国家大气释放咨询能力(NARAC)。NARAC有助于在三里岛和切尔诺贝利事件等放射性或有毒物质泄漏后作出紧急响应决定。

LLNL的科学家们准备在脱矿和提取蛋白质之前粉碎法医骨骼样本,以找到身份标记。科学家们发现了一种利用人类骨骼中的这些标记进行识别的方法。(摄影:Julie Russell/LLNL)

LLNL于20世纪70年代启动了其激光研究项目,自那以后一直处于激光科学和技术的前沿。为了探索惯性约束聚变,一系列越来越大的激光器在国家点火装置(NIF)中达到了高潮,该装置为LLNL的国家安全任务提供了必要的支持,并将像它的前辈一样,使未知的科学发现成为可能。NIF还刺激了美国工业中一系列新产品和新工艺的开发。20世纪70年代的能源危机为该实验室的能源研究项目注入了活力,这些项目是政府与工业合作伙伴关系的一部分,旨在开发长期、可靠、负担得起的清洁能源。

在20世纪80年代,LLNL的研究人员率先在科学计算中使用多重并行处理。几十年来,对核武器设计更强大模拟的需求指导着超级计算机行业的发展。LLNL已经帮助业界为更广泛的用户提供原型机。多重并行处理现在是高级模拟和计算(ASC)计划的核心,该计划是在不进行核试验的情况下维护国家核武器储备的关键组成部分。

进入21世纪后,LLNL继续推进和应用科学技术,确保全球范围内的国家安全。2001年恐怖袭击事件推动了反恐和反扩散实验室建设,生物检测、化学检测、爆炸物检测、核检测等新技术快速发展。该实验室还在能源安全方面做出了重大努力。这项工作旨在开发可持续能源和技术,同时减少其对环境的影响,并增进我们对气候变化的理解。

内在使用控制利用武器的波动辐射场来创建使用控制号码——只有武器知道——能够保护武器及其部件不受未经授权的使用。(Julie Russell和Bob Sickles/LLNL拍摄)

核心竞争力

核心竞争力是特殊能力或专业知识的领域,其中LLNL是一个公认的国家 - 和往往的世界领导者。这些核心能力在一起,形成了实验室的主要科学和技术优势,这是推进国家安全的使命。

地球与大气科学LLNL将地球和大气科学的专业知识与高性能计算相结合,以满足国家安全,能源安全和环境安全需求。大气科学的专业知识是学习气候变化,可再生能源系统和大气化学,运输和分散的核心。LLNL在装载,地震能量的传播和地下流体的运动和反应下开发了岩石行为的地下建模的能力 - 重点国家安全和能源应用的物理过程。这些应用包括检测秘密核试验,地下结构的脆弱性,攻击,地震危害以及核能废物的安全处置。

生物科学与生物工程该实验室的生物研究项目成立于1963年,目的是研究电离辐射对人体的影响。从那时起,LLNL帮助开发了流动分类和染色体绘制来研究DNA和染色体损伤,参与了人类基因组计划,并开发了灵敏和紧凑的生物检测仪器,其中许多已经商业化。目前,LLNL致力于生物、工程和物理科学的结合部,以应对生物安全、化学安全和人类健康方面的国家挑战。LLNL在基因组学、生物信息学、生物工程、可植入系统、筛选制剂、毒理学和生物分析科学方面具有世界级的能力。总体重点是了解人体生理学,宿主病原体相互作用,以及与接触化学和生物制剂或环境危害相关的治疗靶点。

LLNL还整合了大数据和预测模拟能力,以开发对生物复杂性的新理解,并能够更精确地预测健康风险;加快发展对策;开发治疗方案;和改善结果。LLNL已经与国家癌症研究所合作,作为癌症登月计划的一部分,以大大缩短开发癌症治愈方法的时间。

激光与光学科学与技术LLNL的研究人员设计、建造和操作了一系列越来越复杂的激光设备,这些设备在激光能量、功率和亮度方面相继打破了世界纪录。该实验室在系统工程和激光建设和运营方面拥有长期的专业知识,并与国际领先的光子学科学和技术、激光材料相互作用和激光系统模拟相辅相成。主要研究方向是高能、高平均功率激光技术;2017年,LLNL的科学家设计、建造并向欧盟运送了世界上平均功率最高的千瓦时激光器。

LLNL激光技术也发现了许多强化美国经济安全的工业应用,包括激光熔化、精密材料去除、精密热处理、机械强化(如激光喷丸)和耐热光学。

先进材料与制造LLNL已经开发了先进的制造工艺,可以加速生产材料和部件,降低成本,并且通常拥有传统制造技术无法获得的性能。例如高性能光学、生物兼容设备、先进的电池组件和辐射检测材料。

其中一个重点是增材制造(AM),它通过生产具有新的结构、热、电、化学和光子特性的材料来改变制造业。AM (3D打印)使用连续的材料层(聚合物,金属和陶瓷)精确地制造3D对象。LLNL的方法集成了制造专业知识、精密工程、材料科学和高性能计算,为库存管理、全球安全和能源安全生产创新材料。

高性能计算,仿真和数据科学高性能计算(HPC)一直是实验室的核心。在世界上最先进的计算机上高效运行的最先进的模拟应用程序是基于科学的库存管理的集成元素,对许多其他国家安全需求至关重要。这些非常现实和可靠的科学和工程模拟允许建模和仿真承担与实验和理论同等的作用。LLNL目前正在设立Sierra,这是下一代超级计算机,专注于预测应用以维持核威慑。与此同时,LLNL的硬件和软件计算机科学家们正在帮助为即将到来的百亿亿次计算(每秒至少有十亿次计算能力的系统)做准备。他们正在开发新的计算机架构,以及垂直集成硬件和软件、多物理应用程序和数据科学分析,以便在百亿亿级上无缝运行。LLNL正在创建识别海量信息(大数据)模式的能力,以便理解和预测复杂系统的行为。

LLNL与加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和加州大学旧金山分校(UC San Francisco)合作,开发了一种便携式、即时诊断结核病和相关耐药性的设备。

高能量密度科学- - - - - -LLNL是高能量密度(HED)科学领域的国际领导者,研究在极端温度或压力条件下,或在强激光、粒子束或辐射等强大力量影响下的物质。为了国家安全任务,LLNL从20世纪50年代的核武器设计开始,不断推进HED科学,并扩展到今天对核聚变能量的追求和对从黑洞到星系诞生的天体物理观测的解释。NIF是世界上首屈一指的HED实验设施,能够在实验室中最极端的温度和压力条件下创造和表征物质,重现地球、巨型行星和太阳的中心条件。

利弗莫尔的研究人员成功地展示了3D打印的可变形结构,当暴露在热或电下时,它可以折叠或展开来重塑自身。通过直接墨写3d打印工艺,LLNL生产了几种类型的结构,包括一个在受热后会膨胀的支架。

核,化学,同位素科学和技术自成立以来,核科学和技术一直是LLNL的界定力量,并且对于维持老化核武器储存,而不是核事件法医分析,减少威胁和维护的必然。这些计划还提供了进一步的中微子科学,寻找最重的元素的暗物质,宇宙化学和性质。该实验室也是化学和同位素分析的国际领导者,具有法医科学中心支持的基本科学和国家安全计划,只有两名美国实验室是识别化学战代理的国际认证。该中心还开发了新的智力,执法,国土安全和医疗保健工具。其研究人员正在开发创新的新型法医技术,包括使用头发而不是DNA来识别人的革命性技术。

技术转让

创新和伙伴关系办公室(IPO)是LLNL与行业接触的焦点。IPO目前有100多家公司持有活跃的商业牌照。近年来,基于LLNL技术的产品年销售额超过3亿美元,授权和特许权使用费收入超过800万美元。LLNL技术已使新业务得以启动,有助于推动当地、区域乃至其他地区的经济增长。

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yabovip16.com科技简报》杂志

本文首次发表于2018年11月号yabovip16.com杂志。

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