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1.核動力與研究反應(yīng)堆——從曼哈頓工程到電的產(chǎn)生
世界上現(xiàn)有430多臺核動力反應(yīng)堆在運行，103臺核電廠生產(chǎn)美國所用電量的20%。這些反應(yīng)堆的多數(shù)用普通水冷卻。水還被用來減速由裂變鈾燃料放射的中子，以便反應(yīng)持續(xù)下去，生成熱量，產(chǎn)生發(fā)電用的蒸氣。強(qiáng)烈提倡用水作為反應(yīng)堆冷卻液的是諾貝爾物理獎獲得者Eugene Paul Wigner（1902-1995）（左圖）。Wigner是Alvin Weinberg的導(dǎo)師，后者稱他為核工程的奠基人和偉大的理論物理學(xué)家（右圖為倆人合影）。兩者后來均成為ORNL的所長和共創(chuàng)了中子鏈?zhǔn)椒磻?yīng)堆的物理理論。Wigner 的設(shè)計被杜邦公司廣泛用于在華盛頓Hanford建造的水冷石墨減速反應(yīng)堆；1945年這些反應(yīng)堆生產(chǎn)出結(jié)束二次大戰(zhàn)原子彈用的钚。Wigner 設(shè)計了能使來自裂變钚的中子將釷轉(zhuǎn)變?yōu)榭闪炎冣?33的水冷水減速轉(zhuǎn)換器，因此使他成為當(dāng)今研究反應(yīng)堆、海軍反應(yīng)堆和核電廠的鼻祖。 1944年，Art Snell 所做的橡樹嶺實驗表明：10噸普通的鈾棒在水減速的天然鈾晶格中不會爆炸，鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不會發(fā)生。由Henry Newson 領(lǐng)導(dǎo)的在空氣冷卻的石墨反應(yīng)堆上所做的另外實驗和Alvin Weinberg的計算表明，為在這樣的晶格中獲得持續(xù)反應(yīng)，鈾必須在可裂變的鈾235中稍微加以濃縮。Alvin Weinberg在1944年的一封信中建議采用高壓水作為反應(yīng)堆的冷卻劑和減速劑，以便產(chǎn)生有用的功率，他還在與Forrest Murray于1946年共同寫的一篇論文中表達(dá)了這一概念。Weinberg成為加壓水冷卻反應(yīng)堆—許多核電廠基礎(chǔ)的創(chuàng)始人。
二十世紀(jì)四十年代誕生了許多動力反應(yīng)堆概念，有些發(fā)展成為現(xiàn)在被認(rèn)為仍然有效的技術(shù)。因為認(rèn)為鈾非常稀少，所以一些科學(xué)家想出一種產(chǎn)生多余消耗钚的快速反應(yīng)堆。1945年Wigner和Harry Soodak公布了用鈉冷卻增殖反應(yīng)堆的第一個設(shè)計。
1947年，F(xiàn)arrington Daniels 想出了卵石鋪墊的氣體冷卻反應(yīng)堆，在這種反應(yīng)堆里，氦通過裂變的鈾氧化物或碳化卵石升溫和帶走熱量后使它們冷卻來產(chǎn)生電力。“丹尼爾斯堆”是后來在ORNL開發(fā)出來的高溫氣冷反應(yīng)堆的雛形。
Wigner還預(yù)言輻射對用于建造反應(yīng)堆材料的損傷可能會影響反應(yīng)堆的安全運行。為確定輻照中哪些材料的表面最好，他想出了材料測試反應(yīng)堆，第一個高功率用水冷卻和減速的濃縮鈾反應(yīng)堆。為了材料測試反應(yīng)堆，ORNL的研究人員開發(fā)出燃料元件，這種元件是在彎曲的鋁板之間添加鈾氧化物以防扣住。他們還開發(fā)出鈹反射器將中子散射回到堆芯。
在設(shè)計材料測試反應(yīng)堆時，ORNL的研究人員建造了一個小的樣機(jī)，用來測試控制和液壓系統(tǒng)。1950年，實驗產(chǎn)生水下核反應(yīng)第一個可見蘭色契倫可夫閃光。因為鋯抗腐蝕，所以它被認(rèn)為是反應(yīng)堆燃料棒含有鈾粒的良好后選者。但一些樣品吸收過多的中子，示意不純。ORNL的Herbert Pomerance發(fā)現(xiàn)鉿，一種普通的鉿雜質(zhì)吸收許多的中子，純的鉿吸收得極少。橡樹嶺的研究人員開發(fā)出一種產(chǎn)生純鉿的分離工藝，純鉿用于潛水艇和電廠的反應(yīng)堆燃料包層。
將反應(yīng)堆開發(fā)工作重點放在ANL的原子能委員的官員們認(rèn)識到ORNL會有很多貢獻(xiàn)，所以允許ORNL改進(jìn)樣機(jī)的屏蔽和冷卻系統(tǒng)，使其功率水平提高到材料測試反應(yīng)堆的10%。被Wigner稱為“可憐人的堆”的樣機(jī)被正式命名為低流強(qiáng)測試反應(yīng)堆。
在LITR的實驗確定了沸水反應(yīng)堆，后來成為工業(yè)設(shè)備設(shè)計模型的可行性。ORNL的研究人員還開發(fā)出現(xiàn)在用的反應(yīng)堆控制和保護(hù)系統(tǒng)的原理。
Wigner開辦的橡樹嶺反應(yīng)堆技術(shù)學(xué)校的畢業(yè)生們設(shè)計了各種的反應(yīng)堆，其中之一是苦命核飛機(jī)工程的飛機(jī)反應(yīng)堆。該工程的宗旨是建造不用加燃料可無限飛行的飛機(jī)。建造整體屏蔽反應(yīng)堆和塔式屏蔽設(shè)施，目的是提供建造飛機(jī)用的輕重量輻射屏蔽方面的數(shù)據(jù)。ORNL建造自己開發(fā)的另一個反應(yīng)堆是在1955年聯(lián)合國和平利用原子能大會上展出。ORNL另外一個設(shè)計是軍隊組裝式反應(yīng)堆，即 1957年由私人承包商為工程師團(tuán)建造的一個在遙遠(yuǎn)基地發(fā)電的可移動設(shè)備。
ORNL開發(fā)了幾臺同類的反應(yīng)堆，它們均由含有鈾的流體加注燃料、冷卻和減速，而不是用當(dāng)今多數(shù)核電廠典型采用的固體燃料、液態(tài)冷卻劑和減速劑。有前途的設(shè)計是熔鹽反應(yīng)堆，飛機(jī)反應(yīng)堆工程的自然產(chǎn)物。它的燃料溶液在堆芯和去掉不需要的裂變產(chǎn)物的處理工廠之間連續(xù)循環(huán)。它是在上世紀(jì)六十年代末設(shè)計的，目的是產(chǎn)生電力和新的燃料鈾233。現(xiàn)在，歐洲、日本和俄羅斯有興趣開發(fā)熔鹽反應(yīng)堆作為錒類燃燒器。
上個世紀(jì)五十年代末，國際上對氣冷反應(yīng)堆感興趣，ORNL在美國的HTGR計劃中具有很重要的作用。其責(zé)任包括開發(fā)改進(jìn)的石墨減速器、開發(fā)和實驗先進(jìn)的涂有顆粒高溫時保留裂變產(chǎn)物的燃料。ORNL 在開發(fā)和實驗球型陶瓷燃料中已經(jīng)找到支持開發(fā)下一代氣體-渦輪-組件式-氦-冷卻反應(yīng)堆和礫床組件式反應(yīng)堆。
因為ORNL的研究人員在反應(yīng)堆方面具有廣泛的經(jīng)驗和專門知識，所以它是Westinghouse 電力公司國際聯(lián)營企業(yè)中設(shè)計國際反應(yīng)堆創(chuàng)新和安全電廠，即下一代加壓水冷卻反應(yīng)堆唯一國家實驗室。ORNL還是能源部核電計劃的兩個領(lǐng)導(dǎo)者之一。
橡樹嶺反應(yīng)堆技術(shù)學(xué)校的畢業(yè)生們還設(shè)計了許多在ORNL運行的研究反應(yīng)堆（6個建于上世紀(jì)六十年代），其中有橡樹嶺研究反應(yīng)堆（1958-1988）和建有37年的高通亮同位素反應(yīng)堆，它可能還能再運行30年。除生產(chǎn)農(nóng)業(yè)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)用的同位素外，這個85MW的高通亮同位素反應(yīng)堆是材料實驗和開展中子散射研究的重要工具。因為中子，ORNL不久將成為物理和材料研究方面的一個世界強(qiáng)國。
2.反應(yīng)堆化學(xué)——钷的發(fā)現(xiàn)

1914年，第一次世界大戰(zhàn)中在戰(zhàn)斗中陣亡的前一年，其工作影響元素在周期表中最后排序 才華橫溢的英國物理學(xué)家證明在稀土釹和釤之間應(yīng)該存在元素61。1941-42年美國化學(xué)家們試圖造出元素61，但不能證明已經(jīng)造出這一元素。
1945年，在Charles Coryell （右圖）的領(lǐng)導(dǎo)下，工作在石墨反應(yīng)堆上的化學(xué)家Jacob Marinsky和Larry Glendenin造出了元素61。他們通過鈾的裂變和用用來自反應(yīng)堆中裂變鈾的中子轟擊釹獲得這一元素。他們在附近的熱實驗室和化學(xué)樓里工作，利用離子交換色層法，首次從化學(xué)上鑒定了元素61的兩個同位素。 Marinsky和Glendenin（左圖）在1947年的美國化學(xué)學(xué)會會議上宣布了他們在化學(xué)上證明元素61 的存在。1948年，他們在馬省理工學(xué)院工作時建議將元素61“钷”命名為普羅米修斯，希臘神話中的巨人，相傳因盜取天火給人類觸怒主神宙斯，被鎖在高加索山崖遭受神鷹折磨。這一想法來自Coryell的妻子Grace Mary。1949年這一名稱被國際化學(xué)化學(xué)聯(lián)合會所接受。
钷是在地球地殼中沒有發(fā)現(xiàn)發(fā)射β的放射性金屬，在仙女座中一個星的光譜里看到了它。钷147用于導(dǎo)彈中的儀器核動力電池。
3.核同位素——化干戈為玉帛

二次大戰(zhàn)期間，橡樹嶺Y-12廠被用來電磁分離兩個鈾同位素，產(chǎn)生曼哈頓工程用的武器等級的材料。大戰(zhàn)結(jié)束后，除了一個電磁型同位素分離器大廳外，其他所有的大廳均轉(zhuǎn)為它用。剩余的設(shè)施轉(zhuǎn)給ORNL，生產(chǎn)許多用于和平目的的同位素。
ORNL利用電磁型同位素分離器為無數(shù)應(yīng)用生產(chǎn)了成千上萬的穩(wěn)定同位素；許多這些濃縮同位素是制備放射性同位素的開始材料。有些電磁型同位素分離器被用來生產(chǎn)高濃縮鈾、釷、镅和鋦的同位素。從穩(wěn)定的電磁型同位素分離器濃縮的同位素所產(chǎn)生的放射性醫(yī)用同位素，包括用于治療前列腺癌的鈀103、心臟成像用的鉈201、治療癌癥和手術(shù)后心瓣再狹窄用的錸、腫瘤成像用的鎵67和緩解轉(zhuǎn)移性骨痛的鍶89。非醫(yī)用產(chǎn)品包括用于電子學(xué)和探測爆炸物的鎳63以及用于地球定位和蜂窩式電話系統(tǒng)用的原子鐘的鎵87。1998年以來，電磁型同位素分離器一直處于備用狀態(tài)直到需要為止。右圖：Russ Knapp領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了錸188生成器。在這種生成器里，鎢188衰變?yōu)殄n188。它被用來治療心臟病人的心臟狹窄和癌癥引起的疼痛。
56年來，ORNL利用自己的反應(yīng)堆已經(jīng)生產(chǎn)了放射性同位素。生物化學(xué)家Waldo Cohn將離子交換法運用在石墨反應(yīng)堆上對裂變產(chǎn)品的分離，組織放射性同位素的生產(chǎn)和在美國的銷售，包括將放射性同位素從反應(yīng)堆送到醫(yī)院。
后來的ORNL反應(yīng)堆提供了用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)的放射性同位素。高通亮同位素反應(yīng)堆是幾種用于癌癥治療、非損傷實驗和爆炸物探測放射性同位素的主要提供者。高通亮同位素反應(yīng)堆生產(chǎn)的一種重要的放射性同位素是锎252，一種被用來發(fā)現(xiàn)飛機(jī)部件微小裂縫的出色中子源。對5500名病人的臨床研究表明，锎252在治療子宮頸腫瘤和頭、頸和口腔癌方面非常有效。
4.核醫(yī)學(xué)——疾病的診斷和治療

將ORNL產(chǎn)生的放射性同位素轉(zhuǎn)變?yōu)榭苫謴?fù)人體健康的試劑是ORNL核醫(yī)學(xué)研究人員長期以來的奮斗目標(biāo)。二十世紀(jì)七十年代中葉以來，在Russ Knapp的領(lǐng)導(dǎo)下，他們開發(fā)出用于醫(yī)學(xué)掃描診斷心臟病的放射性成像試劑。該試劑已經(jīng)在全世界350，000病人研究中經(jīng)過了試驗，現(xiàn)在，在日本和俄羅斯進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，并用于治療無數(shù)的心臟病患者。ORNL試劑是用放射性碘做標(biāo)記的脂肪酸，可用來探測心臟病發(fā)作后心肌有多少還活著，預(yù)測搭橋手術(shù)或氣球狀的血管成型術(shù)是否會恢復(fù)所有血液流通。
1993年，ORNL小組開發(fā)出鎢188/錸188同位素生成器，在ORNL試驗放射性試劑，并確定了在美國和國外的臨床試驗。試驗表明錸188（從鎢188衰變而成）可緩解癌癥誘發(fā)的骨和肝痛以及關(guān)節(jié)炎患者的發(fā)炎，還可防止氣球狀的血管成型術(shù)后冠狀動脈中滑肌細(xì)胞的形成（心瓣再狹窄），減少重復(fù)氣球狀血管成型術(shù)的需要。左圖：制備放射性同位素。
因為ORNL放射性同位素供給系統(tǒng)提供低費用治療，所以它被用來治療發(fā)展中國家、德國和美國病人的手術(shù)后心瓣再狹窄和癌癥誘發(fā)的疼痛。
ORNL的Saed Mirzadeh和他的同事們所開發(fā)出來的放射性同位素生成器為白血病患者正在提供成功的治療。ORNL存有鈾233。該同位素衰變形成錒，在ORNL生成器里送到世界上的研究場所。在紀(jì)念Sloan-Kettering 癌癥中心，將用從錒225衰變獲得的鉍213做標(biāo)記的抗體注入患有急性髓細(xì)胞白血病的患者。鉍同位素破壞造成患者病危的血細(xì)胞。
5.核燃料——開發(fā)新工藝

第二次世界大戰(zhàn)期間，橡樹嶺的石墨反應(yīng)堆是作為一個試驗工廠為展示钚的產(chǎn)生而運行的。ORNL的研究人員開發(fā)出從用過的鈾燃料和裂變產(chǎn)品中分離钚的化學(xué)工藝。他們利用沉淀從溶解在硝酸中用過的燃料中提取钚，設(shè)計和應(yīng)用工藝。 后來，John Swartout和Frank Steahly的研究對再處理產(chǎn)生深刻影響。他們喜歡ORNL正在開發(fā)的更為有效的溶劑提取技術(shù)。這種技術(shù)利用硝酸和溶于有機(jī)液體中的三丁基磷酸鹽提取鈾和钚，并將它們從裂變產(chǎn)品中分離出來。這一技術(shù)成為Purex（钚/鈾提?。┕に?，現(xiàn)在在世界上仍被用來從用過的燃料反應(yīng)堆燃料回收鈾和钚。
在隨后的幾十年里，以Floyd Culler, Frank Bruce, Raymond Wymer, William Unger和其他人為首的研究小組利用Purex工藝，在設(shè)計和試驗核燃料再處理工廠方面確定了步伐。他們的設(shè)計成為建在Idaho Falls, Hanford, Savannah Rive和世界其他各地大型再處理工廠的基礎(chǔ)。右圖：遠(yuǎn)距離操作技術(shù)最初是在ORNL為核燃料再處理而開發(fā)的。
二十世紀(jì)七十年代和八十年代末，ORNL通過開發(fā)更有效的用于溶解用過的燃料和控制有害氣體排放量的設(shè)備和執(zhí)行溶液提取操作，ORNL提高了核燃料再處理技術(shù)。雖然從未建造Clinch River增殖反應(yīng)堆回收钚的ORNL計劃在八十年代取消，但它的許多先進(jìn)技術(shù)被用于歐洲和日本。
ORNL開發(fā)的工藝在世界上被用來從產(chǎn)生電的礦石中提取鈾。五十年代和六十年代，由Keith Brown領(lǐng)導(dǎo)的一個小組開發(fā)出從礦石提取回收鈾的方法。八十年代初，F(xiàn)red Hurst 發(fā)明了一種從磷酸提取鈾的方法。這些技術(shù)是回收鈾用于核電廠的標(biāo)準(zhǔn)方法。
6.核燃料——核工業(yè)的新設(shè)計

上個世紀(jì)四十年代末，由Eugene Wigner領(lǐng)導(dǎo)的ORNL小組設(shè)計了水冷卻釋熱元件，確保材料試驗反應(yīng)堆產(chǎn)生足夠高的中子濃縮度，以便確定哪些支撐最好的材料可用于未來反應(yīng)堆。該組設(shè)計的鈾釋熱元件放在鋁板之間，外面由鈹包圍，將中子反射回到堆芯。Wigner最有名的發(fā)明是將鋁板彎曲，所以在非常熱的情況下，它們只向一個方向彎曲，防止水冷卻液流量的壓縮，這決定著中子的流強(qiáng)。這個設(shè)計是美國研究反應(yīng)堆和潛水艇堆芯的模型。
1958年，英國采用早期氣體冷卻設(shè)計生產(chǎn)了工業(yè)核電。ORNL對高溫氣體冷卻反應(yīng)堆有更大興趣，它的研究人員們集中于制造反應(yīng)堆中用氦冷卻，用石墨減速，可在高溫時工作的燃料。
他們組成成千上萬的二氧化鈾或鈾碳化物，外涂一層碳的球型顆粒，以保留裂變產(chǎn)物，并將燃料頭嵌入石墨結(jié)構(gòu)里。利用橡樹嶺研究反應(yīng)堆，Don Trauger的小組證明輻照后這一燃料是穩(wěn)定的，不像鈾碳化物顆粒在石墨反應(yīng)堆里散開的設(shè)計。ORNL這個小組的發(fā)現(xiàn)使德國人轉(zhuǎn)向在他們的高溫氣體冷卻反應(yīng)堆中采用涂有顆粒的燃料。這一設(shè)計的改進(jìn)版本被用于兩個美國的工業(yè)高溫氣體冷卻反應(yīng)堆和德國、日本以及中國的試驗反應(yīng)堆。
ORNL的研究人員現(xiàn)正在幫助研發(fā)用于先進(jìn)高溫氣體冷卻反應(yīng)堆概念的抗熔化燃料塊。
7.核燃料——國際軟件

SCALE 是一個易于使用用來確定核裝置的設(shè)計和傳輸或存儲數(shù)據(jù)包是否符合核安全標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)軟件系統(tǒng)。ORNL開發(fā)的系統(tǒng)在世界范圍里被用來回答核安全問題。例如：裝有用完的核燃料的儲存罐足以屏蔽，防止雇員達(dá)到有害輻射水平嗎？罐的設(shè)計，在平板卡車或火車車廂里罐的擺放，會防止涉及不受控制地釋放能量和輻射的臨界事故嗎？
1980年，當(dāng)公布了特許評估標(biāo)準(zhǔn)化計算機(jī)分析代碼系統(tǒng)以后，它便被用來評估罐中傳輸核材料的安全。從那時起，SCALE便應(yīng)用到有關(guān)一些核設(shè)施以及裂變和放射性物質(zhì)的容器的臨界安全和輻射屏蔽問題。
SCALE包括著名的計算機(jī)代碼，如ORNL1966年開發(fā)的用于臨界安全評估的KENO蒙特卡洛代碼。由Dixon Callihan和Joe Thomas領(lǐng)導(dǎo)的ORNL關(guān)鍵實驗的實驗室提供了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，據(jù)此可以檢查計算機(jī)代碼計算。繼續(xù)增強(qiáng)重要的碼和另外進(jìn)行驗證。
SCALE 被用來確保1979年三里島核電廠事故中燃料部分熔化后恢復(fù)工作中的臨界安全。除南極洲外，地球上的每個洲都使用SCALE。ORNL的研究人員為美國、歐洲、日本和拉丁美洲的用戶進(jìn)行SCLAE培訓(xùn)。用戶包括美國能源部、核管會（兩者支持SCALE的開發(fā)），以及罐設(shè)計者、燃料生產(chǎn)者、反應(yīng)堆燃料銷售者和核電廠公司。SCALE 5, 計劃于2003年公布，將繼續(xù)為核-燃料-周期安全分析提供最先進(jìn)的計算工具。
8.核安全——了解挑戰(zhàn)

ORNL在無數(shù)方面對核安全起作用。它培養(yǎng)了900多位反應(yīng)堆設(shè)計和安全操作方面的工程師。實驗室出版了核安全雜志已有30多年。60年代以來，ORNL已經(jīng)對核臨界安全具有了重要影響 — 利用工業(yè)控制防止產(chǎn)生在鈾或钚的處理、儲存和運輸中發(fā)生意外不能控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的潛在后果。ORNL的研究人員提供幾個臨界安全標(biāo)準(zhǔn)和管理批準(zhǔn)這個指導(dǎo)原則的國際小組。
六十年代末，由Grady Whitman領(lǐng)導(dǎo)的ORNL研究人員開始研究暴露在高溫和輻射造成脆化情況下，反應(yīng)堆壓力容器的鋼壁在反應(yīng)堆操作時是否可承受水的壓力而不破裂。ORNL進(jìn)行了30多年的熱沖擊、斷裂力學(xué)和輻射造成脆裂方面的實驗后，已成為世界上產(chǎn)生提供特許和運行輕水反應(yīng)堆壓力容器基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)方面的領(lǐng)導(dǎo)者。 左圖：八十年代中，在試驗核安全中，將成捆的非核燃料棒加熱直到熔化，以確定安全溫度的極限。
ORNL的研究表明，鋯合金燃料包層在模擬事故條件下變脆，這個結(jié)果導(dǎo)致制定限制輕水反應(yīng)堆功率水平的新規(guī)定。在美國國家安全聽證會上由ORNL的專家所報告的結(jié)果，導(dǎo)致對降低緊急冷卻水丟失后反應(yīng)堆堆芯過熱的可能性提出嚴(yán)格要求。ORNL的裂變-產(chǎn)物-釋放的研究為安全條例提供了基礎(chǔ)。
1979年三里島核電廠發(fā)生冷卻液損失事故后，ORNL的研究人員協(xié)助核管會查明事故的原因和后果，發(fā)現(xiàn)釋放出來的放射性氣體比預(yù)計得少。事故發(fā)生后，ORNL和核管會的工作人員開發(fā)了序列編碼和搜尋系統(tǒng)，捕獲包括在數(shù)據(jù)庫中的有關(guān)核電廠操作方面的信息。該系統(tǒng)已經(jīng)用于無數(shù)的安全研究、條例制定和風(fēng)險評估。
ORNL的研究人員為核管會開發(fā)出事故模型，該模型能夠改進(jìn)先進(jìn)的沸水反應(yīng)堆設(shè)計。他們還幫助確立了核工廠中數(shù)字儀器和控制系統(tǒng)的管理原則。
9.核脫鹽——渴望解決方案 聯(lián)合國估計全世界有11億人口，幾乎6 個人中就有1人喝不到安全的飲用水。一種解決的方案是從海洋里取水并把鹽除掉。右圖：藝術(shù)家給出的擬議中的海島"nuplex"，它利用核能發(fā)電并將海水脫鹽用于灌溉農(nóng)作物。
1963年，ORNL的Philip Hammond提出利用大型核電廠多余的熱將海水脫鹽可以便宜地獲得淡水的設(shè)想。ORNL所長 Alvin Weinberg—時任肯尼迪總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會成員—將提供能源和“沙漠變綠洲”的這一方法向美國原子能委員會和內(nèi)務(wù)部的官員作了說明，并為ORNL爭取到了項目經(jīng)費。
在1964年日內(nèi)瓦召開的和平利用原子能聯(lián)合國大會上，對Hammond設(shè)想的特點作了說明。他的設(shè)想得到約翰遜總統(tǒng)1965年“水為和平”計劃的支持和國際原子能機(jī)構(gòu)的贊同。
ORNL的研究人員在兩方面對脫鹽技術(shù)做出了貢獻(xiàn)。Hammond小組改進(jìn)了蒸餾技術(shù)，利用核工廠的熱把鹽更有效地從海水中分離出來。該組開發(fā)了多級急驟蒸餾法增強(qiáng)熱傳輸面和工藝，設(shè)計了比現(xiàn)有樣機(jī)效率高4倍的鋁垂直管蒸發(fā)器。
Kurt Kraus小組提高了反向滲透（RO）效率，并將其改為適用于脫鹽。在反向滲透中，通過強(qiáng)迫含有鹽的水經(jīng)過一種防止鹽通過的半滲透膜產(chǎn)生純凈水。
反向滲透幾乎用于當(dāng)今一半的脫鹽工廠。脫鹽的熱源是油或氣體，印度Kalpakkam處的一個新廠除外，它與一對現(xiàn)有的反應(yīng)堆連在一起。最少有3個國家正在開發(fā)脫鹽反應(yīng)堆，這意味著核脫鹽可能成為重要的淡水源。
10.核不擴(kuò)散——降低核威脅 
蘇聯(lián)解體后，它的加盟共和國擁有近1300公噸具有各種不同安全等級的可用于武器的核材料。美國擔(dān)心貧窮失業(yè)的武器研究人員可能會將材料轉(zhuǎn)移給恐怖分子或無賴國家。對此，美國能源部制定了核不擴(kuò)散計劃。這些計劃資助ORNL小組做了以下工作：
* 幫助80座俄羅斯的設(shè)施保證用于武器的核材料的安全，改進(jìn)安全措施和安全以及改進(jìn)材料的核算系統(tǒng)；
* 幫助俄羅斯國防部改進(jìn)武器系統(tǒng)的安全，與美國國防部一道監(jiān)督拆除俄羅斯武器的運載系統(tǒng)；
* 協(xié)助俄羅斯海關(guān)官員探測向國外走私的任何核材料，向他們提供輻射檢測設(shè)備和培訓(xùn)；
* 開發(fā)技術(shù)，以此驗證從拆除武器中得到的高濃縮鈾已經(jīng)混合在俄聯(lián)邦設(shè)施里，產(chǎn)生用于工業(yè)電站低濃縮鈾；
* 1994年幫助確保600公斤的高濃縮鈾從哈薩克安全裝載和安全運到橡樹嶺Y-2國家安全實驗室。后來，有幾百公斤在ORNL的幫助下從喬治亞共和國轉(zhuǎn)送到英國的一個處理設(shè)施。2002年，ORNL組與美國核安全局、國務(wù)院和國際原子能委員會的專家們一道從南斯拉夫反應(yīng)堆上安全拆除50公斤的高濃縮鈾。這些材料被運到俄羅斯轉(zhuǎn)為反應(yīng)堆級燃料。
為減少美國和俄羅斯反應(yīng)堆產(chǎn)生的多余的武器級的钚，ORNL管理多處為輕水反應(yīng)堆生產(chǎn)、輻照和試驗基于钚的混合氧化物燃料的工作。ORNL管理和與俄羅斯從事開發(fā)生產(chǎn)俄羅斯反應(yīng)堆所用混合氧化物燃料需要的技術(shù)。
通過將原蘇聯(lián)的武器研究人員固有的技術(shù)商品化和重新產(chǎn)業(yè)化的努力，ORNL正為他們創(chuàng)造有意義的工作。
11.中子散射——變化的儀器

1994年，率先在橡樹嶺石墨反應(yīng)堆上采用中子散射開展材料研究的 Clifford Shull分享了諾貝爾物理獎。Shull和他的導(dǎo)師Ernest Wollan利用中子散射確定晶體中原子在哪里。中子散射在世界上被用于研究材料的結(jié)構(gòu)和動力學(xué)，開發(fā)出強(qiáng)力塑料、小電機(jī)中看到的改進(jìn)的磁性材料、信用卡、計算機(jī)磁盤和CD盤。1945后期，用X射線散射研究固體和氣體的Wollan考慮用石墨反應(yīng)堆的中子研究散射。他通過讓反應(yīng)堆中子經(jīng)過晶體產(chǎn)生了一個單波長中子束流，并用譜儀測量與中的原子核相互作用所發(fā)生的中子散射的角度和能量。這一信息幫助揭示物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
一年后，Shull和Wollan獲得了氯化鈉晶體和多晶氧化錳第一個中子衍射圖形。他們還拍了第一張中子射線照片，確定如何將散射的中子的流強(qiáng)與靶物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相關(guān)連并準(zhǔn)確地判明氫化鈉和氘化納中輕的原子的位置。
1951年，Shull給出氧化錳晶體的磁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)反鐵磁性（磁性材料的一些原子向上指，一些向下指）。因為中子是極小的磁鐵，所以它們與磁性材料的原子的相互作用為記錄和計算機(jī)產(chǎn)業(yè)提供重要的數(shù)據(jù)。左圖：1965年以來，ORNL高通亮同位素反應(yīng)堆已被用來開展中子散射研究。該反應(yīng)堆有15臺新的中子散射儀器，在慢中子上將增加一個冷中子源，使它們成為聚合物和蛋白質(zhì)的出色探測器。
50年代晚期和六十年代初期，Ralph Moon、Wallace Koehler、Mike Wilkinson和其他人在橡樹嶺研究反應(yīng)堆上對稀土的磁結(jié)構(gòu)和特性開展了中子散射研究。Henri Levy、Selmer Peterson、Bill Busing和George Brown率先開展了單晶體中子散射研究，揭示了糖和其他晶體的結(jié)構(gòu)。
1965年，新的高通亮同位素反應(yīng)堆(HFIR)開始為中子散射研究提供更高的流強(qiáng)，可以用三重軸譜儀對物質(zhì)的激發(fā)態(tài)進(jìn)行研究。Wilkinson 和Herb Mook利用HFIR從氦-4原子核散射出中子，研究氦-4的原子冷卻到接近絕對0度時氦-4中Bose-Einstein凝聚作用的存在。
利用三重軸譜儀，Bob Nicklow和Harold Smith研究了超導(dǎo)晶體碳化鉭，發(fā)現(xiàn)支持低溫超導(dǎo)理論的證據(jù)。七十年代，Mook和他的同事們證實在稀土銠硼化物中超導(dǎo)和磁性共存。
小角度中子散射研究始于HFIR，在那里Koehler成立了國家小角度散射研究中心。高溫超導(dǎo)氧化物于1986年被發(fā)現(xiàn)，所以HFIR被用來幫助確定新材料的結(jié)構(gòu)，因為中子可以比X射線更好地確定輕的氫原子的位置。三重軸測量還闡明了激發(fā)的磁性和晶格態(tài)，幫助理論家們解釋高溫超導(dǎo)。
由George Wignall領(lǐng)導(dǎo)的小角度散射實驗在整個九十年代與北卡羅來納合作，檢驗利用超臨界一氧化碳作為有機(jī)溶劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)使用的氟氯碳（據(jù)信它減少保護(hù)我們的臭氧層）可以產(chǎn)生聚合物的方法。
剩余應(yīng)力的測量也在HFIR開始進(jìn)行。一項研究集中在造紙廠鍋爐外包鋼合金可能斷裂，導(dǎo)致爆炸。測量確定采用一種新的鋼合金將會避免這一問題。
1999年12月，基于加速器的散裂中子源破土動工；其中參加破土動工儀式的有副總統(tǒng)Al Gore。將于2006年竣工的散裂中子源會繼續(xù)進(jìn)行ORNL傳統(tǒng)的世界水平的中子散射研究。
12.半導(dǎo)體——打造數(shù)字的未來 過去40 年間，ORNL的研究人員提供了重要的信息和技術(shù)，產(chǎn)生了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，提高了該產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)意義。
1962年，Ordean Oen和Mark Robinson在開展晶體材料中輻射損傷理論研究的同時，進(jìn)行揭示離子溝道影響與固體中長排的原子平行的原子的長距離運動的計算機(jī)模擬。這一工作和Bill Appleton、Charles Moak、Sheldon Datz、Herb Krause和其他人所做的高能離子溝道實驗?zāi)軌蛄私鉁系垃F(xiàn)象，幫助工業(yè)界生產(chǎn)具有正確特性的植入離子的半導(dǎo)體材料。右圖：ORNL的工作幫助工業(yè)界粉腸經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出計算機(jī)半導(dǎo)體芯片。
六十年代，John Cleland和ORNL其他的科學(xué)家利用整體屏蔽反應(yīng)堆開發(fā)了一種用于硅中均勻分布磷離子的中子變性攙雜 (NTD) 法。每年在世界范圍內(nèi)生產(chǎn)100 噸用于電子學(xué)元件的中子變性攙雜硅。
通過將基于離子植入攙雜和激光退火結(jié)合在一起，Rosa Young、C.W. White和Greg Clarke將硼離子引入硅晶體的近面，并將它們結(jié)合進(jìn)電活性區(qū)，同時彌補(bǔ)硅晶格中的損傷。這一工作為開發(fā)廣泛用于半導(dǎo)體工業(yè)快速熱退火工藝提供了基礎(chǔ)。
1998年，Ken Tobin和他的同事們搞了兩個獲獎軟件工具。這兩個軟件工具幫助公司迅速找出造成半導(dǎo)體圓片缺陷的加工問題，因此，降低缺陷的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和降低成本。這些工具已經(jīng)準(zhǔn)許應(yīng)用材料公司（Applied Materials）、 IBM、Motorola、得克薩斯儀器公司（Texas Instruments）和其他20家公司使用。
ORNL轉(zhuǎn)讓給nLine公司的獲獎的直接數(shù)字全息照相術(shù)工藝，迅速發(fā)現(xiàn)圓片中的深埋觸點和溝道中有缺陷。Tony Moore和他的同事們發(fā)明了一種以傳感器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，用以控制產(chǎn)生腐刻圓片電路結(jié)構(gòu)等離子體的高頻功率。采用ORNL的系統(tǒng)被工業(yè)部門節(jié)約了上千萬美金。
13.半導(dǎo)體——傳輸電力

由于有了高溫超導(dǎo)線和電纜，未來的電網(wǎng)將比現(xiàn)在的電網(wǎng)更加有效。ORNL的研究人員與工業(yè)伙伴合作，利用1986年發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象所開發(fā)的高溫超導(dǎo)線的電阻比銅線的電阻小得多。與相當(dāng)?shù)募夹g(shù)比較，使用這樣的線的設(shè)備占用空間較小，運行費用較低，耗能較少。美國電網(wǎng)中超導(dǎo)電纜導(dǎo)電是同樣大小尺寸銅線的5倍。因為高溫超導(dǎo)電纜以熱量形式損失很少的能量，所以電傳輸?shù)膿p耗減少一半，從8%降低到4%。
采用ORNL1995年開發(fā)出來的滾動協(xié)助雙軸結(jié)構(gòu)襯底(RABiTS?)技術(shù)，美國的超導(dǎo)生產(chǎn)出空前長10米的鎳鎢帶，鎳鎢帶上附有超導(dǎo)氧化物和緩沖層，它們與合金結(jié)構(gòu)排列成行。這些帶子每厘米的寬度承載100安培的電流，超過能源部2003年的目標(biāo)。3M和其他3 家公司謀求將ORNL這一獲獎技術(shù)商品化。RABiTS?導(dǎo)線在本10年晚些時候可以買到，用于地下傳輸電纜、馬達(dá)、變壓器和磁鐵。
ORNL的研究人員幫助Southwire公司開發(fā)它在Georgia的Carrollton的設(shè)施所用的30米長的高溫超導(dǎo)電纜。該種電纜由鉍-鍶-鈣-銅氧化物組成，系第一代由液氮激冷的導(dǎo)線，已經(jīng)運行了16，000小時以上。RABiTS?導(dǎo)線將用于第二代 Southwire公司的電纜。
ORNL的研究人員還開發(fā)出創(chuàng)新性的低溫系統(tǒng)，用來激冷Waukesha 電力系統(tǒng)和IGC-Superpower公司建造的超導(dǎo)變壓器。Waukesha的變壓器像通常變壓器一樣不用易燃油，已經(jīng)在實驗室進(jìn)行了試驗。
14.離子植入材料——實在的人造關(guān)節(jié)

在ORNL，通過純理論手段出色地發(fā)現(xiàn)離子溝道，最后導(dǎo)致制定基于加速器的計劃將離子引入材料。研究人員發(fā)現(xiàn)離子植入能夠改進(jìn)許多材料的表面，包括用于制造人造髖關(guān)節(jié)和膝蓋的合金。ORNL的Jim Williams與Ray Buchanan合作進(jìn)行了研究，然后在阿拉巴馬大學(xué)和現(xiàn)在在田那西大學(xué)進(jìn)行研究。他們在1980年發(fā)現(xiàn)用氮離子植入人造關(guān)節(jié)中使用的鈦合金使合金變硬，并大大提高它的耐磨性和抗腐蝕性。研究人員發(fā)現(xiàn)離子植入能改進(jìn)外科植入人造關(guān)節(jié)使用的鈦和鈷鉻合金，但涉及不同的機(jī)制。技術(shù)使鈦合金的表面硬化，但不會被合金自己的氧化涂層（降低表面化學(xué)活性）擦傷。對鈷鉻合金來說，離子植入改進(jìn)它的吸濕度，這樣使人造關(guān)節(jié)滑動起來就更容易，并使表面的硬度更均勻。因此，合金與其搭配使用的聚合物組件工作時會配合得更好，從而延長它的壽命。九十年代早期，美國食品與藥物管理局提出指導(dǎo)原則，要求所有新提交的鈦矯形設(shè)備均應(yīng)離子植入。左圖：植入離子的髖關(guān)節(jié)。
矯形材料的離子植入在工業(yè)上首先被Spire公司，然后被植入科學(xué)公司（Implant Sciences Corporation）采用。每年賣給矯形廠家進(jìn)行表面全部處理的設(shè)備共有幾十萬臺，價值達(dá)近1，000萬美元。Williams估計累計進(jìn)行表面處理而銷售的設(shè)備量價值超過1億美元。然而，更重要的效益在于使用離子植入人造髖關(guān)節(jié)、膝蓋和其他關(guān)節(jié)的許多美國人生活得到改善，舒適程度提高。
15.環(huán)境影響分析——尋找平衡

聯(lián)邦政府資助或批準(zhǔn)的設(shè)施在建造前，必須認(rèn)真檢查工程的效果。在環(huán)境影響說明中，必須權(quán)衡它們的造價和效益。自1971年以來，為核電廠曾準(zhǔn)備過這樣的環(huán)境影響說明。ORNL和其他三個國家實驗室的研究人員涉及一個應(yīng)急計劃，為90個運行核電廠和那些建設(shè)中的核電廠或正在設(shè)計中的核電廠起草環(huán)境影響說明。在七十年代，ORNL還涉及決定是否為提出的電廠建造冷卻塔，以保護(hù)哈德遜河的有條紋鱸魚。
在七十年代和之后出現(xiàn)許多問題。魚通過電廠的冷卻系統(tǒng)或暴露在核設(shè)施釋放的熱水里數(shù)量會下降嗎？核電廠在正常運行期間工人和公眾會受多少輻射？地?zé)?、太陽、化石、合成燃料、生物?轉(zhuǎn)換和水電項目的環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的影響是什么？為應(yīng)對這些和其他問題，以O(shè)RNL的Ed Struxness、Bill Fulkerson、Tom Row和Johnnie Cannon為首的環(huán)境影響說明起草小組進(jìn)行了大量的研究。右圖：ORNL工程師開發(fā)了可通過外科手術(shù)植入魚中的電子標(biāo)記。該標(biāo)記發(fā)射出超聲波信號，可用來觀測靠近水電大壩三文魚的行為 — 這一信息將幫助魚安全通過大壩的上游和下游。
為評價通過進(jìn)料濾網(wǎng)對魚的影響，ORNL的研究人員在Larry Barnthouse, Sig Christensen和Webb Van Winkle的領(lǐng)導(dǎo)下，開發(fā)出計算機(jī)模型。Chuck Coutant 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員開發(fā)了測量魚喜歡的水溫的方法，推動了電廠工程控制的開發(fā)，減少了對附近的魚數(shù)量的損害。
ORNL的研究人員在為水電廠開發(fā)魚保護(hù)設(shè)備、檢查電廠建造和運行的社會經(jīng)濟(jì)和文化影響以及預(yù)測從南極洲的研究設(shè)施到國會批準(zhǔn)的內(nèi)華達(dá)Yucca山永久性的高水平核廢料存放地的運行的風(fēng)險和效益在美國居領(lǐng)先地位。
16.環(huán)境質(zhì)量——種下科學(xué)的種子

來自工業(yè)設(shè)施的放射性和有害物質(zhì)對構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的動植物有什么影響？生態(tài)系統(tǒng)與地球大氣如何發(fā)生相互作用？ORNL的研究人員幫助回答了這些和其他50 多年來的其他問題，開創(chuàng)了生態(tài)研究的新領(lǐng)域。
五十年代，ORNL的研究人員率先利用放射性核素作為生態(tài)系統(tǒng)中元素自然運動的示蹤元素，包括森林的營養(yǎng)素和污染物。Stan Auerbach、Dan Nelson、Jerry Olson和其他人所做的工作導(dǎo)致放射性生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。
Olson、Bob O'Neill和其他人率先開發(fā)出計算機(jī)模型，以期了解生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能以及森林生態(tài)系統(tǒng)中元素、營養(yǎng)素和污染物的運動，從而產(chǎn)生了系統(tǒng)生態(tài)學(xué)。 1958年，ORNL的科學(xué)家確定與無數(shù)聯(lián)邦政府和州政府部門重點開展克林奇河（Clinch River）的研究 — 1947年首次定期取樣，因為它靠近ORNL。這是多部門為評價從一個主要核設(shè)施釋放具有潛在的長期放射性核素有害物質(zhì)首次作出的努力。
六十年代早期，利用福特基金會的基金，ORNL的研究人員開發(fā)出先進(jìn)的數(shù)學(xué)和計算機(jī)方法了解地球生態(tài)系統(tǒng)中的變化。他們用銫137在森林伐剩的一棵樹木上做標(biāo)記 — 率先大規(guī)模利用放射性廢物質(zhì) — 提供新計算機(jī)模型用的數(shù)據(jù)，顯示大氣武器試驗的放射性微粒對地表有長期污染的惡果。左圖：站在液壓升降機(jī)上，Rich Norby采集ORNL膠皮糖香樹的葉子，用以測試在二氧化碳中濃縮的大氣的效應(yīng)。
1967年，ORNL因其貢獻(xiàn)被美國國家科學(xué)基金會選中，領(lǐng)導(dǎo)國際生物計劃下的美國生態(tài)系統(tǒng)主要研究計劃，并為其提供經(jīng)費支持。這個涉及世界上幾百名科學(xué)家和研究生的數(shù)百萬美元的工作，取得了地球碳周期中生物系統(tǒng)作用方面有價值的信息。
同年，Walker Branch Watershed 研究設(shè)施首次用來研究水中和陸地、然后是污染物雜大氣沉積中的神態(tài)系統(tǒng)過程。1975年，Steve Lindberg確定沉積在森林的40-70%的硫酸和硝酸是作為干的顆粒而不是雨降下的。
ORNL然后開始研究由煤轉(zhuǎn)化為液體和氣體“合成燃料”產(chǎn)生的化合物的生物效應(yīng)。1980年，發(fā)現(xiàn)暴露在合成燃料化合物下的蟋蟀的蛋生出多一支眼或頭的昆蟲。因為這些研究，Barbara Walton、Glenn Suter和Larry Barnthouse幫助發(fā)展了生態(tài)風(fēng)險評估領(lǐng)域和后來被美國環(huán)保局采用的生態(tài)風(fēng)險評估框架。
到了八十年代，在開發(fā)和利用生態(tài)系統(tǒng)的計算機(jī)模型，包括預(yù)言森林和魚數(shù)量的生態(tài)和演變變化的Michael Huston、Don DeAngelis和Mac Post的“以個人為基礎(chǔ)的模型”方面，ORNL成為公認(rèn)的領(lǐng)先者。在九十年代，O'Neill、Virginia Dale和其他人對發(fā)展地表生態(tài)學(xué)領(lǐng)域（例如，火和火山爆發(fā)效應(yīng)的研究）做出了貢獻(xiàn)。
到1990年，ORNL的Sandy McLaughlin、Dale Johnson、Lindberg和其他人完成對國家酸沉淀評估計劃10 年的研究支持。這一工作導(dǎo)致對工業(yè)釋放硫和氮氧化物的限制。.
1994年，ORNL確定開展世界上最大的全球森林變化實驗。該實驗顯示潛在產(chǎn)生于氣候變化的干旱和非同尋常的潮濕條件的效應(yīng)。
1998年，ORNL開始運行大氣二氧化碳濃縮裝置（Free Air Carbon Dioxide Enrichment facility），評估膠皮糖香樹種植園上增加的大氣二氧化碳的效應(yīng)。早期發(fā)現(xiàn)顯示種植園的樹比正常大氣中的樹長得快。
由Ralph Turner領(lǐng)導(dǎo)的ORNL水銀研究結(jié)果，能更快和用較低的費用清除本世紀(jì)中期氫彈工程污染的橡樹嶺土地土壤中的水銀。Lindberg和其他人關(guān)于大氣水銀的研究結(jié)論被環(huán)保局用于向國會所做的報告中，導(dǎo)致聯(lián)邦政府建議對內(nèi)燃源釋放的水銀進(jìn)行控制。
17.空間探索——最后的前沿科學(xué) 2002年8月20日，美國國家宇航局慶祝旅行者2號宇宙探測器通過太陽系旅程25周年 — 可能是人類探索宇宙最偉大的功績。旅行者2號向地球發(fā)回令人注目的木星、土星、天王星和海王星地形、環(huán)和衛(wèi)星的照片。旅行者2號現(xiàn)在距太陽足足超過60億英里遠(yuǎn)，上面載有ORNL制造的材料。右圖：巨大的帶電粒子磁層圍繞木星旋轉(zhuǎn)，正常情況下看不到，這里能夠看到，原因是NASA Cassini宇宙飛船上（上面有ORNL的材料）有成像儀器。
1975年, 由C.T.Liu領(lǐng)導(dǎo)的ORNL研究人員開發(fā)出1977 年發(fā)射的旅行者1和2號宇宙飛船中包覆钚238氧化物燃料球面所需要的。放射性燃料被用來為宇宙探測實驗和通訊設(shè)備電源。銥合金包覆防止在不可能的事件中燃料泄漏，進(jìn)入環(huán)境。不可能的事件指宇宙飛船偶然重新進(jìn)入地球大氣層，經(jīng)受灼熱和撞擊地球表面。
純銥的熔點很高，高溫時有出色的抗氧化能力，但太弱和易碎，經(jīng)受不住最大的影響。ORNL的研究人員發(fā)現(xiàn)，添加適當(dāng)水平的合金劑（例如釷）給出使銥合金經(jīng)受最大可信事故影響力的額外延伸度。
旅行者1和2 號上搭載的另一種材料是絕緣材料。它由連在一起的碳纖維物質(zhì)組成，用來在選擇的溫度范圍內(nèi)維護(hù)燃料?，F(xiàn)仍在生產(chǎn)的兩種ORNL材料還搭載沿木星軌道運行的NASA伽里略探測器和2004年7 月飛往土星軌道的Cassini宇宙飛船。
ORNL的研究人員還幫助設(shè)計飛往月球的宇航員的輻射屏蔽、收集月球巖石的鏟子和地球上盛它們的箱子。下一個工程是為飛往火星宇宙飛船上可能使用的核反應(yīng)堆設(shè)計功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
18.石墨和碳產(chǎn)品——從導(dǎo)彈到納斯卡（NASCAR）

石墨反應(yīng)堆的名稱承認(rèn)石墨需要有的特性。這種形式的結(jié)晶碳被選為橡樹嶺的第一臺反應(yīng)堆和Hanford钚產(chǎn)生反應(yīng)堆的減速器。石墨不僅將鈾裂變中產(chǎn)生的中子減速到足以使钚形成，而且還在高溫時變得更強(qiáng)，并抗輻射損傷。
四十年代，Eugene Wigner正確地預(yù)言：中子輻照石墨將引起它的膨脹。對“Wigner病”的關(guān)心幫助ORNL推動了材料研究。
通過控制石墨晶體顆粒的晶向，ORNL的Walt Eatherly、Ray Kennedy和Fred Jeffers開發(fā)出得獎的GraphNOL。GraphNOL八十年代實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。這種石墨抗輻射損傷，耐極端熱沖擊和應(yīng)力，用于導(dǎo)彈前錐體。
該研究的宗旨是選擇當(dāng)作ORNL設(shè)計的高溫氣體冷卻反應(yīng)堆減速劑的石墨。今天，ORNL的研究人員正在為核管會評價石墨的特性和標(biāo)準(zhǔn)，作為先進(jìn)氣體冷卻反應(yīng)堆計劃的一部分。六十年代，由John Googin領(lǐng)導(dǎo)的ORNL研究人員開發(fā)出第一個生產(chǎn)碳泡沫的方法。碳泡沫被用來作為高溫鍋爐的絕緣。ORNL開發(fā)出碳粘合碳纖維絕緣，用于衛(wèi)星和宇宙探測器上的熱源。左圖：2003年款式的Dodge Viper比以前的模型更輕更堅實，部分原因歸功于ORNL的碳纖維復(fù)合材料的研究。（承蒙Chrysler組的允許)
九十年代，Ted Besmann和其他人開發(fā)出碳復(fù)合材料二極板，用來制造重量較輕壽命較長的汽車油箱。生產(chǎn)碳復(fù)合材料的技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給了Porvair有限公司。該公司正在安裝試驗設(shè)備，準(zhǔn)備為一家主要的油箱開發(fā)商生產(chǎn)碳復(fù)合材料板。
Tim Burchell和James Klett開發(fā)出一種工藝。這種工藝已經(jīng)商業(yè)化，用來制造碳-碳制動盤。這種制動盤給飛機(jī)更好的制動力。1988年，Klett生產(chǎn)出傳熱非同尋常好的石墨。這一特許的技術(shù)用于車輛、電子學(xué)和國土安全。
19.先進(jìn)材料——工業(yè)用的合金

材料合成 ORNL第一個開發(fā)的商業(yè)化的合金是耐鹽酸鎳基合金-N，先由國際鎳公司出售，現(xiàn)在由Haynes International公司銷售。這個鎳-鉬-銅-鐵合金是由Hank Inouye和其他人開發(fā)的，含有ORNL開發(fā)的熔鹽反應(yīng)堆使用的燃料。該種合金抗老化、抗斷裂和抗暴露在熱的含氟化物的鹽引起的腐蝕。
另一個商業(yè)化的合金，即改進(jìn)的鉻鉬鋼是由ORNL的Vinod Sikka和其他人與內(nèi)燃工程部合作為國家增殖反應(yīng)堆計劃而開發(fā)的。20年來，該種合金已由法國、德國、日本和美國的公司生產(chǎn)，銷售總額超過4億美元。
該合金具有出色的高溫機(jī)械性能，在正常工作條件下，不易腐蝕或變形。它主要由鐵構(gòu)成，重量上9%為鉻，1%為鉬，加上幾種稀有元素。它用于生產(chǎn)電的設(shè)備鍋爐和制造無鉛汽油的油提煉鍋爐。
為增殖工程開發(fā)的另一種合金是奧氏體不銹鋼，它暴露在高溫和快中子時不膨脹、不脆裂（如ORNL的Jim Weir所釋）。利用微結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，通過摻雜硅和鈦，Jim Stiegler、Everett Bloom和Arthur Rowcliffe開發(fā)了一種低膨脹不銹鋼合金。該種合金已經(jīng)用作日本和法國增殖反應(yīng)堆的燃料包層。 ORNL的C. T. Liu和其他人開發(fā)了改進(jìn)的鎳鋁化物合金，現(xiàn)在用來替換Bethlehem Steel公司的鋼滾筒（將鋼板送入爐內(nèi)）和用于為Delphi汽車系統(tǒng)公司制造用來對汽車球型軸承、齒輪和閥門表面進(jìn)行加熱和硬化的盤。
焊接 ORNL在材料連接方面名揚海外，已經(jīng)生產(chǎn)出計算機(jī)模型，幫助美國工業(yè)界解決了不銹鋼和鎳鋁化物合金的焊接問題。ORNL的研究人員開發(fā)了一種試驗，用以評估廣泛用于美國全國的焊接-破裂敏感性和銅焊技術(shù)。實驗室的模型正引導(dǎo)工業(yè)部門用焊接修理用于發(fā)電的陸基燃?xì)鉁u輪機(jī)中以鎳為基礎(chǔ)的合金、單晶渦輪機(jī)葉片。為幫助確保敏感核技術(shù)的安全，Stan David和John Vitek領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與原烏克蘭的武器研究人員一起開發(fā)渦輪機(jī)發(fā)動機(jī)部件的修理-焊接技術(shù)。右圖：ORNL建了弧焊計算機(jī)模擬。
材料表征 同時開發(fā)分析電子顯微鏡和滲透顯微鏡使ORNL設(shè)計低膨脹不銹鋼成為可能。分析電子顯微鏡和滲透顯微鏡，以及經(jīng)過改進(jìn)ORNL使用的三維原子-探測-場顯微技術(shù)，對徹底了解鋼的微結(jié)構(gòu)和它生產(chǎn)過程中在鋼中形成的微觀沉淀物的組成成為可能。ORNL的冶金學(xué)家們?yōu)樵O(shè)計鋼的微結(jié)構(gòu)和獲得所需要的特性而改變鋼的組成。
六十年代以來，ORNL的研究人員開發(fā)了光學(xué)儀器，極大地提高了用于分析材料結(jié)構(gòu)的X射線的亮度和強(qiáng)度。Cullie Sparks的石墨單色儀在世界范圍內(nèi)用于X射線和中子。八十年代，Sparks和Gene Ice利用完美的彎晶在同步源上進(jìn)行研究，發(fā)明了一種X射線聚焦方法。他們采用的精確的晶體彎轉(zhuǎn)方法聚焦輻射的能力比另一個可供選擇的光學(xué)儀器高20倍?，F(xiàn)用于世界上多數(shù)復(fù)雜的X射線裝置。2001年，Ice和Ben Larson開發(fā)了一臺X射線顯微鏡，能夠研究在三維空間里具有亞微米分辨率的晶體顆粒結(jié)構(gòu)。
九十年代，Steve Pennycook 和其他人在ORNL開發(fā)的晶體Z向?qū)Ρ瘸上窨墒箍茖W(xué)家們利用掃描透射電子顯微鏡看到從半導(dǎo)體到汽車催化劑的材料中的原子排列。這一技術(shù)取得了晶體有史以來最高分辨率的圖像。該技術(shù)現(xiàn)在用于商業(yè)生產(chǎn)的顯微鏡并在世界范圍內(nèi)使用。
20.先進(jìn)材料——工具、渦輪機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)

許多發(fā)明在10到15年里從實驗室到工廠都不會取得成功，但ORNL的一種陶瓷發(fā)現(xiàn)后3年成為商業(yè)產(chǎn)品。這個名人遺物收藏館的陶瓷是鋁氧化物和從普通米殼制造的微觀硅炭化物SiC晶須的復(fù)合材料。
從1981-82年，ORNL的George Wei、Terry Tiegs和Paul Becher發(fā)現(xiàn)了這個材料，它強(qiáng)度高，不易斷裂。到1985年，生產(chǎn)專利復(fù)合材料的技術(shù)被先進(jìn)復(fù)合材料公司（Advanced Composite Materials Corporation）和綠葉公司（Greenleaf Corporation）用于生產(chǎn)工業(yè)用的切削工具。用SiC強(qiáng)化的氧化鋁切削工具可加工噴氣式發(fā)動機(jī)部件，其速度比競爭材料制造的工具快10 倍。這些工具在美國的銷售量超過2000萬美元。瑞典的公司Sandvik在世界范圍內(nèi)銷售這種切削工具。
最后發(fā)現(xiàn)，如果吸入SiC會有害健康，但ORNL的晶須強(qiáng)化概念是開發(fā)改進(jìn)硅氮化物的關(guān)鍵。在改進(jìn)的硅氮化物里，材料燒結(jié)時種子晶體在材料內(nèi)部生長，使其更堅固。通過重工業(yè)的投資，ORNL和美國宇航局的研究生產(chǎn)出一種強(qiáng)的抗斷裂的硅氮化物，開發(fā)出制造這一陶瓷的工藝，并提出使用硅氮化物部件的渦輪機(jī)的設(shè)計。其結(jié)果在小的燃?xì)馐綔u輪機(jī)的性能、排放物和耐用方面有很大改進(jìn)。
在Ray Johnson的領(lǐng)導(dǎo)下, ORNL的研究人員Vic Tennery、Matt Ferber和Ken Liu試驗和表征了不同供貨商幾年來提供的硅氮化物樣品，以確定高溫時它們的抗快斷裂性、抗疲勞性和抗?jié)撟冃浴榇斯ぷ?，它們利用了高溫材料實驗室的?fù)雜設(shè)備。ORNL對陶瓷生產(chǎn)廠家的反饋幫助它們極大地改進(jìn)了的特性，所以在各種條件下，它都不會出現(xiàn)問題。
這一更堅固的硅氮化物— 原來是為美國能源部工業(yè)計劃開發(fā)的，該計劃是要設(shè)計先進(jìn)的燃?xì)馐綔u輪機(jī)為汽車提供動力 — 現(xiàn)用于商業(yè)上生產(chǎn)飛機(jī)和柴油卡車的部件。Honeywell發(fā)現(xiàn)硅氮化物在經(jīng)歷了機(jī)場的灰塵和沙粒之后，比為空調(diào)、電子學(xué)和停放在飛機(jī)艙門的某些非主要服務(wù)設(shè)備的輔助電源裝置中的金屬部件壽命長。1992年以來，使用硅氮化物部件的輔助電源裝置一直在波音和空中客車上飛行。 1996以來, Honeywell和Kyocera已經(jīng)生產(chǎn)出耐用的硅氮化物油密封墊，這種密封墊能更有效地防止小型商務(wù)噴氣飛機(jī)中燃料泵的泄漏。這些密封墊已安裝在7000架噴氣發(fā)動機(jī)上，其飛行時間累計已大600萬小時。
為產(chǎn)生穩(wěn)定功率，下一代高效低排放的微型渦輪機(jī)和較大的燃?xì)馐綔u輪機(jī)中將采用硅氮化物部件?，F(xiàn)在的金屬微型渦輪機(jī)運行效率約為25%；采用可進(jìn)行熱運行的陶瓷應(yīng)該使效率提高到35%或40%。利用ORNL的Mark Janney 和Omats Omatete開發(fā)的加工大的復(fù)雜形狀部件的凝膠澆注工藝，Honeywell正為一家微型渦輪機(jī)生產(chǎn)廠家制造陶瓷輪樣機(jī)。左圖：為燃?xì)馐綔u輪機(jī)馬達(dá)開發(fā)的陶瓷材料用于飛機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)的部件。
改進(jìn)的硅氮化物還用于幫助降低高速公路上卡車大柴油發(fā)動機(jī)的尾氣排放。為達(dá)到環(huán)保局的標(biāo)準(zhǔn)，柴油燃料注入系統(tǒng)必須在高壓時運行以降低排放。因為凸輪-滾軸隨動件是造成燃料高壓的機(jī)械鏈的一部分，所以它們必須經(jīng)受高的應(yīng)力。Ceradyne公司生產(chǎn)的硅氮化物被用來為底特律柴油公司制造凸輪-滾軸隨動件。Ceradyne公司已經(jīng)銷售了300萬柴油卡車用的部件。
ORNL幫助改進(jìn)的另一種陶瓷是CoorsTEC制造并銷售給Cummins發(fā)動機(jī)公司用于柴油卡車的轉(zhuǎn)化-加固氧化鋯(TTZ)。Cummins公司在生產(chǎn)無數(shù)用于其高壓燃料注入器的TTZ琺蘭過程中實際上沒有經(jīng)歷過任何問題。
21.生物技術(shù)——用細(xì)菌清除

ORNL生物技術(shù)一個早期的例子是1972年由Chet Francis所做的展示：花園土壤中的細(xì)菌能夠去掉工業(yè)廢水中的硝酸鹽和稀有元素。ORNL在俄亥俄州的Portsmouth鈾濃縮廠建了一座試驗生物反應(yīng)堆處理硝酸鹽廢物。橡樹嶺Y-12國家安全整套裝置為處理硝酸廢物的一座工廠采用了Francis 的設(shè)計。在這些場地利用重組體和自然細(xì)菌處理地下廢物的生物治療在繼續(xù)進(jìn)行。
在1997年進(jìn)行的lysimeter實驗中，ORNL采用了基因工程微生物來探測土壤污染物；美國政府部門首次批準(zhǔn)它在能源部的一個場地有控制地向環(huán)境釋放。
六十年代，Howard Adler和他的助手們研究輻射對大腸桿菌的影響。一些被輻射損傷的細(xì)菌死亡，神秘的是除非它們生長在有其他細(xì)菌的情況下。最終的解釋是含有來自那些其他細(xì)菌薄膜部分的酶，它把氧從介質(zhì)中去掉，使得受損傷的大腸桿菌得以復(fù)原。
Adler和Jim Copeland開發(fā)出一項提取和冷藏這些薄膜碎片，和利用它們?nèi)サ魜碜灾С謪捬跷⑸铮ㄔ谘踔兴劳觯┮后w介質(zhì)的氧的技術(shù)。他們的技術(shù)有助于早發(fā)現(xiàn)由厭氧微生物和生產(chǎn)像丁醇之類的化學(xué)品引起的疾病，如破傷風(fēng)和壞疽。1987年，他們成立了Oxyrase公司，繼續(xù)向北美、南美、亞洲和歐洲的醫(yī)院病理學(xué)和研究實驗室銷售診斷介質(zhì)。
利用在生產(chǎn)除冰劑、食品添加劑、溶劑和最后是塑料中需要的將普通糖轉(zhuǎn)化為琥珀酸的一種新的微生物，ORNL和美國能源部其他的國家實驗室與應(yīng)用碳-化學(xué)制品公司（Applied Carbo-Chemicals）一起開發(fā)了一種發(fā)酵工藝。ORNL的Nhuan Nghiem和Brian Davison在生物反應(yīng)堆中開發(fā)了這一發(fā)酵工藝。應(yīng)用碳-化學(xué)制品公司最近展示了這一很快商品化的發(fā)酵10萬公升的工藝流程。
22.光合作用——發(fā)現(xiàn)光 對研究綠色植物細(xì)胞和輻射有興趣的幾位ORNL的生物學(xué)家集中研究了光合作用。在這一過程中，植物利用光作為能源，從空中的二氧化碳和水合成碳水化合物（細(xì)胞組織）。右圖：James Lee幫助說明了光照水中的藻類可通過光合作用產(chǎn)生氫。
William Arnold和Robert Emerson在率先的研究中發(fā)現(xiàn)了光和單元，導(dǎo)致Arnold 1966年發(fā)現(xiàn)滯后的光，國際上承認(rèn)其為光合作用中的一個基本發(fā)現(xiàn)。(Arnold還因創(chuàng)造被廣泛用來描述原子核分裂過程的術(shù)語“核裂變”而出名。) Roderick Clayton為光合作用第一步的電子學(xué)性質(zhì)提供了證據(jù)。
七十年代和八十年代，Robert Pearlstein開發(fā)了描述綠色植物和細(xì)菌的葉綠素觸角晶格中光能量遷移的理論模型。后來在八十年代，Elias Greenbaum和他的ORNL的同事Perry Eubanks、Jim Thompson、Mark Reeves和Ginger Tevault利用菠菜后來又用藻類中的光和作用將水分子分裂產(chǎn)生氧和富能氣體氫。1985年，Greenbaum展示了光合作用電子與鉑金屬納米粒子的直接電器觸點；這一工作特刊登在《科學(xué)》雜志的封面上。1995年，Greenbaum與Ida Lee和James Lee合作，發(fā)現(xiàn)了隔離的光系統(tǒng)I反應(yīng)中心的二極管特性。2000年，繼續(xù)進(jìn)行這一工作，首次測量了隔離的光合作用反應(yīng)中心的光電壓。
2002年，Greenbaum和他在ORNL及南加州大學(xué)的助手們研究了使用光合作用反應(yīng)中心為法律上失明的盲人恢復(fù)視力問題。ORNL只有少數(shù)幾個光合作用的研究人員，但他們都為這一領(lǐng)域作出了顯著貢獻(xiàn)。
23.生物系統(tǒng)——生命工廠一瞥

ORNL制定其生物研究計劃，旨在確定輻射的性質(zhì)和輻射對活細(xì)胞的影響。這些研究是出于關(guān)心反應(yīng)堆、原子武器試驗和進(jìn)入人體的放射性元素的輻射對健康的影響而進(jìn)行的。 輻射生物學(xué)方面的世界權(quán)威Alexander Hollaender1946年來到橡樹嶺，率領(lǐng)ORNL的研究人員開展輻射對微生物、果蠅、植物和以后是老鼠的影響的研究。他制定了一項廣泛的計劃，一度使ORNL成為世界上最大的生物實驗室。曾在ORNL從事生物科學(xué)研究的20 名研究人員被選為美國國家科學(xué)院的院士。
在Hollaender的領(lǐng)帶下，Bill和Liane Russell于1947年啟動了一項大規(guī)模的老鼠基因工程。他們開始增加特殊的老鼠品種，用于研究對受過輻射的母體所產(chǎn)后代的影響。老鼠基因計劃最終供應(yīng)的數(shù)量會穩(wěn)定在250,000支。
Russells夫婦還啟動了一個研究輻射對發(fā)育影響的項目。1950年，Liane Russell報告稱，特殊類型的生育缺陷是胚胎發(fā)育關(guān)鍵時期由輻射造成的。1952年，Russells夫婦聯(lián)合通知醫(yī)學(xué)界，嬰兒發(fā)育階段如有輻射會極大地影響對人的胚胎和嬰兒損害的程度和類型。他們特別建議要避免未被發(fā)覺已受孕的婦女接受世界上采用的X射線診斷所帶來的風(fēng)險。
Gene Oakberg對老鼠發(fā)育的研究幫助世界上的生物學(xué)家解釋誘發(fā)物的遺傳效應(yīng)。到1956年，ORNL的輻射-誘發(fā)（mutagenesis）研究已經(jīng)產(chǎn)生許多的發(fā)現(xiàn)，以至于美國科學(xué)院的一個委員會利用這些老鼠數(shù)據(jù)詳細(xì)闡述了對人類輻射遺傳效應(yīng)的預(yù)測。在推薦人的輻射量時，美國國內(nèi)和國際團(tuán)體繼續(xù)依靠ORNL有關(guān)變異率生物和物理變量效應(yīng)方面的數(shù)據(jù)。
也是在1956年，Takashi Makinodan使用高輻射劑量通過破壞老鼠的某些血細(xì)胞來抑制老鼠的免疫系統(tǒng)，然后進(jìn)行世界上首次成功的骨髓移植（從大老鼠移植到小鼠）。同年，Elliott Volkin和Larry Astrachan發(fā)現(xiàn)RNA。RNA“解讀為”DNA的遺傳代碼，并成為大量產(chǎn)生蛋白質(zhì)的模型。9 年前，Volkin和Waldo Cohn 觀測到RNA（核糖核酸）具有像DNA（脫氧核糖核酸）那樣的一般結(jié)構(gòu)。DNA的發(fā)現(xiàn)對分子生物學(xué)、病毒學(xué)和遺傳學(xué)具有主要影響。
1958年，Bill Russell和他的同事們表明，將一定的輻射劑量衰減幾天或幾周后，老鼠中產(chǎn)生的變異比在幾分鐘內(nèi)加同等輻射劑量產(chǎn)生的變異要少。這就提供了變異中產(chǎn)生的DNA損傷可以修復(fù)的第一個證據(jù)。這一發(fā)現(xiàn)還意味著允許輻射量有一定的水平。
1959年，Liane Russell和她的同事們發(fā)現(xiàn)老鼠的雄性取決于Y染色體的存在，與X染色體的數(shù)量無關(guān)。一年之后，她表明雌性哺乳動物的兩個X染色體中只有一個是活性的。
六十年代中期，ORNL的生物學(xué)家們利用已經(jīng)開發(fā)出來用于研究輻射效應(yīng)的方法開始測量化學(xué)制品的遺傳效應(yīng)。美國國家癌癥研究所支持ORNL研究老鼠受到輻射或接觸到化學(xué)制品后導(dǎo)致長癌的復(fù)雜生化事例。Arthur Upton (后來成為美國國家癌癥研究所所長)、John Storer和其他人進(jìn)行實驗，確定老鼠肺癌腫瘤是否因接觸殺蟲劑、二氧化硫、城市煙霧或吸煙中一種，還是所有的都接觸到了而形成的。
1967年，Oscar Miller和Barbara Beatty將青蛙的腿放在ORNL建造的高分辨率實驗顯微鏡下，并拍照了RNA形成過程中的基因。細(xì)胞生物學(xué)將最終得到這一結(jié)果的論文稱為里程碑式的論文。 1972年，ORNL的Peter Mazur和Stanley Leibo (與英國的David Whittingham)將老鼠的胚胎冷凍、解凍并移植到其他的母老鼠中，這些母老鼠產(chǎn)下健康的小老鼠?！犊茖W(xué)》雜志封面上特刊登的技術(shù)被牲畜業(yè)采用，以增加得獎牲畜多產(chǎn)的潛力。橡樹嶺和緬因州酒吧港的杰克遜實驗室采用的深冷保存技術(shù)使得能夠?qū)鲜蟮倪z傳系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，并提供一種帶有已知遺傳特點沒有病毒的老鼠系列。
1979年，Willie Lijinsky在老鼠中顯示食物防腐劑的亞硝酸鹽與食物和藥物的氨發(fā)生相互作用，在胃中消化期間形成引起癌癥的硝基氨。Walderico Generoso發(fā)現(xiàn)未受輻射的雌性老鼠的遺傳組成對確定由受某些化學(xué)制品作用的雄性老鼠傳給后代的遺傳損傷量至關(guān)重要。Bill Russell發(fā)現(xiàn)乙硝基ethylnitrosourea (ENU)是誘發(fā)老鼠變異的最有效的化學(xué)制品。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這一化學(xué)制品生成主要的“點狀”變異（DNA基礎(chǔ)替代而不是刪除），ENU現(xiàn)在廣泛用作為金標(biāo)準(zhǔn)試劑，用來發(fā)現(xiàn)和克隆與人類疾病有關(guān)的基因。
1986年，Generoso發(fā)現(xiàn)母體內(nèi)新受孕的老鼠胚胎受到某些化學(xué)制品的作用后增加后來胎兒特殊的出生缺陷的可能性。這一工作打亂了只有在器官形成和發(fā)育階段的輻射才構(gòu)成巨大風(fēng)險的畸胎學(xué)教條。
到了九十年代，由Liane Russell 領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)于化學(xué)誘發(fā)變異的性質(zhì)和頻率的無數(shù)研究得出的結(jié)論是：在確定遺傳變異性質(zhì)時，生殖細(xì)胞階段受誘發(fā)物的作用比誘發(fā)物本身更重要。因此，可以找到合適的化學(xué)制品和輻射草案形成某些類型的所需要的變異。
1992年，Scott Bultman、Ed Michaud和Rick Woychik 找到和克隆了老鼠的刺鼠基因，該基因引起老鼠皮毛顏色的改變、肥胖癥、糖尿病和癌癥，人類也有這種基因。1993年，Gene Rinchik幫助找到人類和老鼠的眼睛變粉色能使哺乳動物中色素形成的稀釋基因。1994年，利用老鼠，Woychik和他的助手生成了一種顯示多囊腎臟疾病的導(dǎo)入變異，并找到造成這一結(jié)果的基因。
1995年，Cymbeline Culiat和Rinchik顯示神經(jīng)傳遞素受體的不足導(dǎo)致老鼠豁唇，結(jié)果使人類遺傳學(xué)家們進(jìn)行試驗。Gerald Bunick生產(chǎn)了搭載宇宙飛船和軌道空間站在宇宙中生長的DNA蛋白質(zhì)晶體的種子。
1998年，Audrey Stevens因她成功找到涉及RNA新陳代謝的無數(shù)蛋白質(zhì)而被選為美國國家科學(xué)院院士。2001年，Dabney Johnson、Culiat和Rinchik證明他們已經(jīng)開發(fā)了急性和慢性形式的人類疾病的遺傳高酪胺酸糖（tyrosinemia），從而啟動實驗室對可能導(dǎo)致治療的試驗。
現(xiàn)在，ORNL的生物學(xué)家們正在盼望在新的老鼠舍開展實驗，以進(jìn)一步推進(jìn)哺乳動物遺傳學(xué)研究領(lǐng)域的進(jìn)展。
24.計算生物學(xué)——發(fā)現(xiàn)基因，預(yù)言蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) ORNL的計算生物學(xué)研究人員在人類基因組工程中起著重要作用。2001年，《科學(xué)》和《自然》雜志特刊刊登了人類基因組草圖，這兩個特刊都提到了ORNL的生物信息學(xué)研究。ORNL的Frank Larimer、Jay Snoddy和Ed Uberbacher被列為那期《自然》主要論文的兩作者。Uberbacher和Richard Mural開發(fā)的GRAIL發(fā)現(xiàn)基因工具用于這項工作，《科學(xué)》雜志的基因組計劃大事記中也提到了它。
Ying Xu和Dong Xu開發(fā)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)言和評估計算機(jī)工具盒（PROSPECT），即預(yù)言來自氨基酸序列的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的計算工具。了解這些特定的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)對疾病的研究和發(fā)現(xiàn)藥物至關(guān)重要。PROSPECT可在幾小時而不是傳統(tǒng)實驗需要的數(shù)月就可確定蛋白質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)。它是世界上最佳的預(yù)言蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的工具之一。
25.生物醫(yī)學(xué)技術(shù)——檢查和預(yù)防疾病

在過去的50年中，ORNL的研究人員發(fā)明了大的儀器，小型分析儀和小的芯片，用來診斷或預(yù)防人類疾病和小毛病。
1950年，由物理學(xué)家P. R. Bell領(lǐng)導(dǎo)的ORNL的一個組發(fā)明了一種改進(jìn)閃爍譜儀，測量從磷光體產(chǎn)生與輻射打擊這些晶體成正比的光閃爍的次數(shù)和強(qiáng)度。多路分析儀用電子學(xué)裝置將這些閃爍記錄下來，能夠快速對β和γ輻射能量進(jìn)行分析。
1956年，Bell的組找到將電子計算機(jī)并入醫(yī)學(xué)掃描儀更精確地突出吸收放射性同位素的腫瘤的方法，從而不必要開刀來檢查癌。ORNL開發(fā)的這些商業(yè)型號的成像機(jī)器被用于全世界的主要醫(yī)學(xué)中心，用來查出惡性腫瘤的位置，以便進(jìn)行治療，延長患者的生命。
1961年，利用美國原子能委員會和美國國家衛(wèi)生院提供的經(jīng)費，由Norman Anderson領(lǐng)導(dǎo)的ORNL的一個組發(fā)現(xiàn)用于生產(chǎn)核反應(yīng)堆燃料濃縮鈾離心技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。研究人員證明，根據(jù)大小和密度將物質(zhì)分離成為分子組成部分的快速自旋分離機(jī)，通過去掉可造成免疫病人副作用的外來蛋白質(zhì)，能夠純化疫苗。到1967年，以O(shè)RNL發(fā)明為基礎(chǔ)的商用帶狀離心機(jī)為無數(shù)人生產(chǎn)了更為安全的疫苗。
在Anderson的引導(dǎo)下，Charles Scott和其他ORNL的研究人員在六十和七十年代末發(fā)明了可提的快速離心分析儀，用于全美國的醫(yī)療診所。這些分析儀在幾分鐘內(nèi)就能檢驗出血、尿和體內(nèi)其他流體的成分，為醫(yī)療診斷記錄下數(shù)據(jù)。
這些機(jī)器中，最著名的是ORNL的GeMSAEC，它由國家衛(wèi)生院的普通醫(yī)學(xué)科學(xué)處和原子能委員會共同資助。利用一個旋轉(zhuǎn)15 個透明管通過光束的轉(zhuǎn)子， GeMSAEC將結(jié)果顯示在示波器上，將數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，在以前一次分析所用的時間里完成15的醫(yī)學(xué)分析。以這一發(fā)明為基礎(chǔ)的醫(yī)學(xué)分析儀用于許多美國的診所。
在七十和八十年代，ORNL的Carl Burtis發(fā)明了可提血液轉(zhuǎn)子（blood rotor），它采用了最新的技術(shù)，根據(jù)GeMSAEC的概念加以改進(jìn)。這個小的分析儀采用與光束存在的情況下的血液成分發(fā)生作用的各種試劑，旨在為診所醫(yī)師和獸醫(yī)快速和同時提供人和動物血液組成部分的測量結(jié)果。該技術(shù)于1992年轉(zhuǎn)讓給Abaxis公司， 現(xiàn)在仍然生產(chǎn)以該技術(shù)為基礎(chǔ)的血液分析儀。
九十年代，由ORNL的Tuan Vo Dinh和位于Knoxville的湯姆森癌癥救生中心（Thompson Cancer Survival Center）的Bergein Overholt和Masoud Panjehpour開發(fā)了一項確定食管腫瘤是良性還是惡性的非外科激光技術(shù)。
這個光學(xué)傳感器采用內(nèi)診鏡、光纖、激光和算法規(guī)則收集和比較食道中的熒光圖形（正常的惡性組織不同）。該傳感器已在湯姆森癌癥救生中心200個患者的1000個樣品中經(jīng)過試驗。在占98%的試驗中，光學(xué)的和外科的活組織切片檢查結(jié)果一致。ORNL已經(jīng)將光學(xué)活組織切片檢查技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了Nashville的橡樹嶺癌癥即刻化驗室。
Vo-Dinh、Alan Wintenberg和其他人發(fā)明了一種先進(jìn)的多功能生物芯片系統(tǒng)，將來的某一天，它可在醫(yī)生的辦公室里很快診斷很多疾病。該項技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給了橡樹嶺的HealthSpex公司。
九十年代初期由ORNL的研究人員Mike Ramsey發(fā)明的“芯片實驗室”的改進(jìn)型號被Caliper 技術(shù)公司（Caliper Technologies）商品化。這些火柴盒大小的芯片有幾個比人的頭發(fā)還細(xì)的通道，它們與存儲器連接，所有的存儲器利用微加工技術(shù)都刻在極小的玻璃板上。芯片可以用來分析DNA、RNA、蛋白質(zhì)和細(xì)胞。Caliper技術(shù)公司也在銷售針對發(fā)現(xiàn)藥物的高輸入輸出信息通過量實驗用的設(shè)備。該公司2001年的銷售額接近3000萬美元，比2000年增長59%。左圖：Mike Ramsey率先開發(fā)出“芯片實驗室”，用于快速廉價生物和化學(xué)分析。
26.智能機(jī)器——用機(jī)器人降低風(fēng)險 機(jī)械操縱器早已用于高放射性物質(zhì)工作屏蔽室，防止使用者接觸放射性物質(zhì)。從七十年代晚期開始，ORNL的研究人員就發(fā)明了遙控的靈巧伺服操作器，可在電視上看這些操作器的工作。這樣的“遙控操作”技術(shù)能夠使在對人太危險的放射性區(qū)域的工作成為可能。這一技術(shù)擴(kuò)展了阿貢國家實驗室提出的較早概念，啟動了ORNL機(jī)器人的研究。從此，遙控技術(shù)便應(yīng)用到核燃料再加工、軍事戰(zhàn)場彈藥管理、加速器、聚變反應(yīng)堆和美國能源部全國廢料廠環(huán)境清理工程（如遙控等離子體弧切金屬結(jié)構(gòu)以拆除被污染的設(shè)備）。右圖：ORNL工作人員設(shè)計的遙控機(jī)器人設(shè)備用于清除地下儲存罐中的放射性沉淀物。
1980年，ORNL的John White和Howard Harvey成立了REMOTEC公司，一家移動遙控設(shè)備系統(tǒng)方面在射界上領(lǐng)先的橡樹嶺公司（現(xiàn)被Northrup Grumman公司擁有）?，F(xiàn)在有700多臺REMOTEC公司制造的遙控設(shè)備用于45 個國家的軍事機(jī)構(gòu)、執(zhí)法部門、核設(shè)施和研究實驗室。1986年，ORNL的Lee Martin和Paul Satterlee成立了國際遙控機(jī)器人技術(shù)公司（Telerobotics International），該公司后并入iPIX。IPIX是成像軟件和服務(wù)的提供者，它的用戶從事安全、觀測、房地產(chǎn)、在線拍賣和數(shù)字內(nèi)容的開發(fā)。
1984年，Satterlee、Martin和Herndon接受數(shù)字控制伺服操作器的遙控機(jī)器人方面ORNL第一個R&D 100獎。（R&D 100獎是每年由R&D雜志為當(dāng)年最佳的100項發(fā)明所頒發(fā)的獎項。ORNL比任何其他能源部的實驗室獲得這一獎項都多。） 這個控制系統(tǒng)成為中心研究實驗室（Central Research Laboratories）控制產(chǎn)品線的基礎(chǔ)。1993年，F(xiàn)ran?ois Pin和Stephen Killough因發(fā)明全方向完整平臺而獲得ORNL第二個遙控機(jī)器人R&D 100獎。該發(fā)明成為能源部、國防部和商用全方向輪椅用的幾個遙控機(jī)器人平臺的基礎(chǔ)。
九十年代，ORNL遙控機(jī)器人的研究人員為改造能源部的廢料容器做出貢獻(xiàn)。工程師們發(fā)明了具有“常識”繪制在俄亥俄州Fernald的能源部設(shè)施的廢物填埋場的遙控機(jī)器人；這一工作幫助能源部按時完成了工程，并節(jié)省了100萬美元。
Dirk Van Hoosen和Barry Burks領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)出放射性罐清洗系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功地抽空ORNL早期反應(yīng)堆運行產(chǎn)生的儲存液體放射性廢物的地下古耐特罐。這個系統(tǒng)為能源部節(jié)省了1。2億美元的費用，所得的教訓(xùn)正在指導(dǎo)能源部其他場地的清洗計劃。
九十年代末，Lynne Parker開發(fā)出聯(lián)合（ALLIANCE）軟件，能夠讓機(jī)器人接受“培訓(xùn)”，以便作為一個團(tuán)隊執(zhí)行任務(wù)，降低任務(wù)故障的概率。她在相配合的機(jī)器人方面的工作可能會給Caterpillar公司和美國軍方提供自主的、堅固和做決定的機(jī)器。
Pin正領(lǐng)導(dǎo)一個主要的項目，為美國陸軍制造由小的燃料電池提供功率的“外甲”，以便士兵帶有較重負(fù)荷時能夠跑得更快和更遠(yuǎn)。他的小組最近開發(fā)出一種小的輕重量的燃料電池，用于可以增強(qiáng)人的力量、忍耐性和速度的嘗試。除幫助士兵外，這樣的一種外甲可改善建筑、采礦和加工制造業(yè)工人的安全，提高生產(chǎn)率，并使?fàn)I救工作更安全更迅速。

上圖：Nageswara Rao證明他的通過時間可連接性草圖能夠使機(jī)器人在做一件工作時彼此進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

27.有害輻射防護(hù)學(xué)和輻射計量學(xué)——幫助確定輻射防護(hù)的指導(dǎo)原則

1942年12月當(dāng)芝加哥獲得第一個受控連鎖反應(yīng)時，一些物理學(xué)家測量了工作地點的輻射強(qiáng)度。因為曼哈頓工程開始，所以需要用“有害輻射防護(hù)學(xué)”的方法測量由人造核素放射出的輻射和控制工作地點的放射性污染。
四十年代，橡樹嶺有害輻射防護(hù)學(xué)家Karl Morgan、Herbert Parker、Ernest Wollan和其他人開發(fā)了用于測量輻射保護(hù)工人健康的儀器。與Elda Anderson、Myron Fair和Doc Emerson一起，Morgan帶頭成立了美國國家有害輻射防護(hù)學(xué)學(xué)會，并成為其首任會長。 Morgan和Jim Turner編寫了第一本有害輻射防護(hù)學(xué)教科書。在橡樹嶺開展了理論和應(yīng)用研究計劃，以促進(jìn)用于監(jiān)測輻射強(qiáng)度和工人受輻射的有害輻射防護(hù)學(xué)儀器和劑量計的開發(fā)。五十年代中期，有害輻射防護(hù)學(xué)家們開發(fā)出世界上廣泛采用的中子劑量技術(shù)和攜帶阿爾法和伽馬輻射個人監(jiān)視器。
曼哈頓之前，輻射防護(hù)考慮的多為控制醫(yī)用輻射，主要是X射線機(jī)。醫(yī)用和工業(yè)用的核素也多限于自然發(fā)生的鈾系列成員，如鈾226。裂變反應(yīng)堆（如橡樹嶺石墨反應(yīng)堆）的開發(fā)導(dǎo)致產(chǎn)生許多在研究、工業(yè)和醫(yī)學(xué)方面具有應(yīng)用價值的新的放射核素。在保護(hù)這些放射性核素使用者的同時，為確保有效使用它們，需要加以指導(dǎo)。在Morgan的指導(dǎo)下，第一個關(guān)于放射性核素可允許的濃度正式報告于1959年作為國際放射保護(hù)委員會（ICRP）的刊物2發(fā)行。左圖：Jim Bogard tests dosimeter responses to radiation from nearby sources.
構(gòu)成該報告基礎(chǔ)的計算是由以Walter Snyder為首的ORNL劑量研究小組和Mary Rose Ford 的大力協(xié)助下進(jìn)行的。該組幫助確立了ORNL為國際劑量計算中心的地位。那時，工人成為輻射防護(hù)的重點。為建立獲得國際一致同意的指導(dǎo)原則，需要對輻射工人的典型特點取得一致意見。在Snyder的領(lǐng)導(dǎo)下，Mary Jane Cook和其他人匯編了ICRP刊物23，收集了大量定義ICRP“參考人”（"Reference Man"）的解剖學(xué)和生理學(xué)數(shù)據(jù)。幾十年來，ICRP的“參考人”都作為國際標(biāo)準(zhǔn)。
利用這一標(biāo)準(zhǔn)，Snyder和他的同事們表述了人體的三維模型，包括蒙特卡洛模擬輻射傳輸，計算輻射劑量。與核醫(yī)學(xué)學(xué)會醫(yī)學(xué)內(nèi)部輻射計量（MIRD）委員會一起開發(fā)出合成方法，世界上稱之為“MIRD幻象法”。
七十年代末以來，ORNL的劑量研究一直在Keith Eckerman的領(lǐng)導(dǎo)下。Keith Eckerman是ICRP劑量限度委員會委員和該委員會劑量計算組的主任。認(rèn)識到日益需要應(yīng)對公眾攝入核素（例如呼入、吸入或注入），Eckerman將ORNL的劑量研究重新集中到年齡和性別特定劑量的評價。作為第一步，Eckerman和Mark Cristy從參考成年男性到兒童到成年女性擴(kuò)展了輻射傳輸模型和數(shù)學(xué)幻象。
接下來的是個確定和模擬在放射形核素生物行為中（生物運動學(xué)）隨著年齡變化的項目。它需要引進(jìn)生物學(xué)上現(xiàn)實的模型，這些模型包括人成熟過程中常見的生理變化。由Rich Leggett領(lǐng)導(dǎo)的工作不僅為兒童提供了需要的模型，而且還改進(jìn)了對成年人中放射性核素最終結(jié)果的預(yù)言。這些以生物學(xué)為基礎(chǔ)的模型還替代了用于輻射工人的ICRP傳統(tǒng)生物運動學(xué)模型。這一工作收集的信息為不久即將替換“參考人”的新的ICRP “參考家族”（"Reference Family"）的解剖學(xué)和生理學(xué)數(shù)據(jù)提供有價值的起點。
28.輻射屏蔽——安全第一

上世紀(jì)三十年代，Eugene Wigner發(fā)明了一個公式，表明有些材料比其他材料在接收或放慢中子散射中更為有效。這一工作確立了輻射防護(hù)研究的基礎(chǔ)。到1951年，在Everitt Blizard的指導(dǎo)下，ORNL成為進(jìn)行計算以確定需要防止人和設(shè)備受到有害輻射強(qiáng)度輻射的鉛、鋼和混凝土屏蔽的厚度和配置。對于后來流產(chǎn)的核飛機(jī)工程，ORNL的研究人員努力工作，以找到保護(hù)由小核反應(yīng)堆提供動力的飛機(jī)機(jī)組人員免受輻射的重量輕的屏蔽材料。為了給這一工作提供數(shù)據(jù)，五十年代建造了ORNL整體屏蔽反應(yīng)堆和塔式屏蔽裝置。右圖：放射性材料的容器是為防止在附近工作的人員受到輻射而設(shè)計的。
1958年，ORNL的研究人員開發(fā)了中子傳輸代碼和光子傳輸代碼，它們的屏蔽配置最佳地防止人類受到中子和伽馬射線的輻射。1959年，他們評估了為美國第一艘也是唯一的一艘核動力民用船只Savannah號提出的反應(yīng)堆屏蔽的有效性。
1966年，橡樹嶺電子直線加速器開始為屏蔽代碼開發(fā)者提供輻射如何與單個原子在屏蔽材料中發(fā)生相互作用方面的數(shù)據(jù)。該加速器幫助科學(xué)家們回答了像“中子輻射被原子核捕獲或散射掉了多少？”和“引起原子裂變多少？”這樣的問題。
1967年，ORNL開發(fā)了計算模擬代碼，該代碼仍然用來評價輻射屏蔽的有效性。1986年，橡樹嶺傳輸模型公布；這個第一次公開的輻射傳輸模擬代碼能夠解決極大、復(fù)雜和三維屏蔽問題。
ORNL的屏蔽研究正用于設(shè)計散裂中子源靶、醫(yī)學(xué)輻射治療和國土安全工程。ORNL的研究人員還對困難屏蔽問題的咨詢請求做出反應(yīng)。
29.信息中心——分享科學(xué)數(shù)據(jù)

四十年前，ORNL所長Alvin Weinberg率領(lǐng)總統(tǒng)專門小組研究解決迅速增長的數(shù)據(jù)量問題。該小組建議成立專門的信息處理中心，負(fù)責(zé)為科學(xué)界評審、分析、壓縮和解釋科學(xué)文獻(xiàn)。
為回應(yīng)Weinberg的報告，滿足科學(xué)界、政府和信息界的要求，1963年成立了輻射屏蔽信息中心，1996年變?yōu)檩椛浒踩畔⒂嬎阒行?，反映技術(shù)包含的范圍和跟上變化的計算技術(shù)。對于73個國家的科學(xué)家和教育者來說，該中心已經(jīng)匯集、測試、組裝和傳播了1600個用于輻射屏蔽、傳輸和保護(hù)的計算工具。
自1963年成立以來，受控聚變原子數(shù)據(jù)中心已經(jīng)為聚變能源和等離子體研究提供有趣的原子、分子和粒子對撞數(shù)據(jù)。該中心已經(jīng)將來自O(shè)RNL電子-回旋加速器-共振離子源的數(shù)據(jù)提供給了在ORNL的國家聚變研究中心、普林斯頓等離子體實驗室和通用核技術(shù)公司（General Atomics），并參加了國際原子能機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。
自六十年代初以來，無數(shù)其他的ORNL信息中心變來變?nèi)ァＫ鼈冊?jīng)涉及生態(tài)科學(xué)、健康、有毒化學(xué)制品的環(huán)境效應(yīng)、核數(shù)據(jù)、核安全和補(bǔ)救行動計劃。
1982年ORNL建立的二氧化碳信息分析中心（CDIAC）是能源部主要的全球變化數(shù)據(jù)中心。CDIAC的精確公正數(shù)據(jù)被不同性質(zhì)的客戶小組使用。該中心國際影響的最重大時刻是在1997年的京都會議上，當(dāng)時與會的國家談判減少溫室氣體排放。CDIAC向許多國家的代表、新聞媒體和各種非政府機(jī)構(gòu)提供了其獨特的逐個國家逐年從化石燃料燃燒中二氧化碳排放量的數(shù)據(jù)庫。
30.能源效率——能耗低冷卻度高

在過去的三十年中，ORNL率先開發(fā)出能耗低并對環(huán)境構(gòu)成較小威脅的冷凍系統(tǒng)。之所以要這樣做，原因是七十年代以來，因為進(jìn)口用于燃料的石油供應(yīng)不穩(wěn)定造成能源價格的上漲；最近需要降低燃煤電廠的目標(biāo)，因而削減使氣候改變的二氧化碳的排放量，以及為保存保護(hù)我們的平流層臭氧層必須替換含有氟氯碳傳統(tǒng)冷卻劑。為提高冷卻設(shè)備的能源效率，研究對臭氧友好的可替代冷卻劑，ORNL的工程們與主要的應(yīng)用生產(chǎn)廠家一道工作。與Arthur D. Little、Amana、Maytag、General Electric、Sub-Zero、Sanyo、DuPont、Frigidaire和Whirlpool公司合作，ORNL的研究人員設(shè)計了效能更高的冷凍機(jī)-壓縮器和超市冷凍系統(tǒng)。八十年代初，他們建造了一個計算機(jī)模型，現(xiàn)仍用于設(shè)計能效冷凍機(jī)。九十年代晚期，依靠計算機(jī)分析和應(yīng)用生產(chǎn)廠家的意見，由Ed Vineyard領(lǐng)導(dǎo)的研究人員改變了冷凍機(jī)-冰箱的設(shè)計，使能耗降低50%，每天耗電一度。右圖：Ed Vineyard檢查高效冷凍機(jī)模型中的儀器。Vineyard小組重新設(shè)計了冷凍機(jī)，使能耗降低50%.
ORNL建筑技術(shù)中心的一個小組與杜邦公司一道確定對臭氧安全的冷凍劑混合物，并建議對系統(tǒng)進(jìn)行改動，以使新的混合物提高能效。部分由于ORNL的冷凍劑試驗和計算機(jī)模擬的結(jié)果，不含氯的HFC-134a通常被用于新的制冷系統(tǒng)中。
由Van Baxter領(lǐng)導(dǎo)的ORNL研究人員影響了超市的冷凍裝置，這些裝置現(xiàn)在有了改進(jìn)的微處理機(jī)和它們自己的壓縮機(jī)（而不是通向中央壓縮機(jī)的潛在的漏水管道）。這些變化使超市的能耗降低30%，每年電費減少40 億美元。
在能源部開發(fā)的極大改善消費者生活的100 項技術(shù)中，ORNL的冷凍工作最近被能源部評為第二最高成就。
31.能源效率——能耗低熱效高

地球幾乎儲存從太陽接收能量的一半，起碼高于人類每年需要能量的500 倍。通過開發(fā)這個巨大的能源儲存能力，地?zé)峒訜岜脼榻ㄖ锕嶂评?，并提供熱水。利用有不影響環(huán)境流體的地下管道，地?zé)峒訜岜迷诙鞂碜暂^熱地的熱量傳誦到建筑物，夏天將建筑物里的熱量散發(fā)到較涼的地里。
環(huán)保局最近的一項研究表明，地?zé)峒訜岜檬悄苄ё罡?、對環(huán)境最好和最佳的成本效果空間調(diào)整系統(tǒng)。盡管它們的潛力，地?zé)峒訜岜迷?990年仍被認(rèn)為是“新的”，它們的傳輸基礎(chǔ)設(shè)施仍處于嬰兒時代。ORNL建筑技術(shù)中心提供的仔細(xì)研究和技術(shù)幫助為聯(lián)邦政府設(shè)施廣泛接受和使用地?zé)峒訜岜脪咔宓缆罚f(xié)助將地?zé)峒訜岜靡朊绹訜岷屠鋮s工業(yè)的主流。
自七十年代晚期，ORNL的Patrick Hughes研究、現(xiàn)場試驗和改進(jìn)了地?zé)峒訜岜孟到y(tǒng)的工程技術(shù)。八十年代中期，Van Baxter、Vince Mei和ORNL的其他人幫助改進(jìn)了地?zé)峒訜岜孟到y(tǒng)的部件工藝。Hughes和John Shonder在評價靠近路易斯安納州Leesville的美國陸軍Fort Polk聯(lián)合待機(jī)訓(xùn)練中心4000個家庭的地?zé)峒訜岜酶轮校梦募C明了地?zé)峒訜岜眉裙?jié)約能源又節(jié)省費用的效益。研究發(fā)現(xiàn)更新的家庭能耗降低33%，夏季高峰用電需求減少43%。左圖：ORNL開發(fā)的加熱泵。
1998年聯(lián)邦能源管理計劃搞了一個項目，由Hughes和Shonder的小組支持，使聯(lián)邦政府部門都用地?zé)峒訜岜?。從此，?lián)邦政府每年在地?zé)峒訜岜梅矫娴耐顿Y繼續(xù)增長，2001年達(dá)到6500萬美元。
32.能源效率——未來的建筑

1974年阿拉伯石油對美國禁運，美國加油站排起長隊，能源價格節(jié)節(jié)盤升后，ORNL應(yīng)邀作為聯(lián)邦政府節(jié)能研究的計劃管理者。由Roger Carlsmith領(lǐng)導(dǎo)的ORNL住戶節(jié)能計劃致力于減少家庭使用油、氣和電（20%由燃油廠提供）的問題。因為取暖和制冷占美國平均家庭用的能量的50-70%，所以通過加絕緣切斷經(jīng)過墻壁不需要的熱流，就可以大量降低能源消耗和支付的費用。ORNL的研究人員研究改進(jìn)絕緣的方法，并計算家里和公司加了絕緣后所節(jié)省的能量。
ORNL成為聯(lián)邦政府開發(fā)熱絕緣標(biāo)準(zhǔn)的主要資源，后來這些標(biāo)準(zhǔn)被能源部的前身、商業(yè)部和建筑行業(yè)協(xié)會所采用。這些標(biāo)準(zhǔn)幫助美國降低了能源消耗。
ORNL的研究人員從事密封活動房屋的設(shè)計工作。依靠從裝有儀表的活動房屋得來的數(shù)據(jù)，由John Moyers和John領(lǐng)導(dǎo)的研究人員提出更密封的絕緣和防風(fēng)窗戶標(biāo)準(zhǔn)，以減少能源的消耗。這些標(biāo)準(zhǔn)被美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究所和住房和城市發(fā)展部所采用， Wilson researchers worked on tight加工住房產(chǎn)業(yè)開始生產(chǎn)能效更高的活動房屋。
1988年，由于ORNL研究人員在南卡羅萊納州查爾斯頓（Charleston ）召開的國際能源守恒條例聽證會上的作證，他們幫助將關(guān)于等外絕緣和熱能保存的標(biāo)準(zhǔn)放入全美國使用的建筑條例中?，F(xiàn)在銷售的多數(shù)袋子上推薦的絕緣厚度（R值）都來自O(shè)RNL的研究。
八十年代，ORNL的工作人員起草和出版了絕緣情況說明書，使Owens Corning公司省去編輯這樣一本需要的出版物要200萬美元的投入。該說明書為消費者客觀地提供在住宅采用絕緣的建議，是第二本最廣泛使用的能源部出版物。
1995年，ORNL的研究人員發(fā)現(xiàn)了在寒冷氣候中頂樓的低密度松散填充絕緣造成熱量大量損失，找到降低損失的絕緣戰(zhàn)略。利用這些發(fā)現(xiàn)，明尼蘇達(dá)州將絕緣標(biāo)準(zhǔn)納入其建筑條例中。
ORNL的研究人員Mike Gettings和Terry Sharp一種計算機(jī)程序，通過能源部適應(yīng)氣候條件計劃（WAP）幫助房產(chǎn)主減少能源的使用和費用。利用ORNL的國家能源審計軟件（NEAT）將房屋的墻壁、門、頂樓、絕緣、照明，以及取暖和制冷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)，WAP的代表即可確定房屋是否需要頂樓和水加熱器絕緣、鍋爐清理和使用節(jié)能小型熒光燈泡。所有這些WAP均可免費安裝。1995年以來，已散發(fā)這樣的程序大約800 份，ORNL為起碼43個州的代表提供了NEAT程序使用的培訓(xùn)。
在能源部第一個建筑用戶設(shè)施—建筑技術(shù)中心工作的研究人員為建筑者寫了一系列的關(guān)于基礎(chǔ)設(shè)計和濕度控制以增加能效方面的手冊。這些手冊是現(xiàn)有的通過能源和環(huán)保建筑協(xié)會指導(dǎo)建造能效房屋手冊的前身。
ORNL researchers led by 由Jeff Christian領(lǐng)導(dǎo)的ORNL研究人員建立了整套墻壁等級標(biāo)定程序，該程序已經(jīng)在225多個墻壁系統(tǒng)上進(jìn)行了試驗，確定哪些最有效地保持熱量。ORNL是第一個利用人類棲息家園作為研究房屋，首先用來試驗墻壁，然后用來試驗供暖、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)的。這些房屋將被用來說明在結(jié)構(gòu)上有絕緣板、能效器件（例如ORNL開發(fā)的熱泵水加熱器）和太陽光電采集器的房屋消耗的電不高于它們產(chǎn)生的電，從而使這些房屋成為零能源建筑。這項工作可能影響未來可以提供的能效房屋的標(biāo)準(zhǔn)。右圖：靠近ORNL正在建造的人類棲息地（Habitat for Humanity），住房將產(chǎn)生它所消耗的能量，從而使其成為零能源建筑。
33.化學(xué)和質(zhì)譜測定法取得成功

橡樹嶺國家實驗室的化學(xué)家們率先發(fā)明了在其石墨反應(yīng)堆會上將钚從來自廢鈾燃料的其他裂變產(chǎn)物中分離出來，從而取得了該實驗室為結(jié)束第二次世界大戰(zhàn)而承擔(dān)的任務(wù)。
四十年代，ORNL的化學(xué)家們首先進(jìn)行了以反應(yīng)堆為基礎(chǔ)的中子活化分析。利用這些能力的一個著名的例子是1991年對從已故Zachary Taylor總統(tǒng)墳?zāi)怪腥〕鏊念^發(fā)和指甲樣品進(jìn)行的分析，駁斥了歷史學(xué)家關(guān)于總統(tǒng)死于砷中毒的理論。
1947年，ORNL的化學(xué)家們測量了幾乎所有元素的離子交換特性，得到了大量對于開發(fā)分析和工業(yè)分離無數(shù)金屬的無價信息。
1954年，Sheldon Datz和Ellison Taylor 開創(chuàng)了分子束流化學(xué)，兩個束流的分子交叉，避免了造成容器壁中與原子對撞的復(fù)雜情況，并能更好地了解化學(xué)反應(yīng)中原子的動態(tài)交換。兩位1986年諾貝爾化學(xué)獎獲得者進(jìn)一步發(fā)展了這種交叉的散射技術(shù)。
Carroll Johnson和Mike Burnett開發(fā)了一種革命性的計算機(jī)程序，能夠?qū)射線結(jié)晶學(xué)確定的分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)具體化。該程序于1965年公布，它促進(jìn)了用于報告和出版物分子立體圖像的生成。
八十年代，Bob Mesmer和Mike Simonson領(lǐng)導(dǎo)的ORNL兩個小組獲得詳細(xì)的數(shù)據(jù)，并開發(fā)了高溫含水溶液語言模型。這些模型已經(jīng)并入廣泛用于蒸汽發(fā)生器和地?zé)崮茉垂I(yè)的工藝模型。
九十年代，Bruce Moyer小組擴(kuò)展了ORNL早期開發(fā)的's group extended early 溶液引出方法，發(fā)明了一種從核廢料中分離出銫的新工藝。能源部采用了這一技術(shù)，用來在Savannah River場地處理高放射性的核廢料。
從五十年代晚期開始，ORNL的Gus Cameron、Joel Carter、Warner Christie、David Smith和Ray Walker開創(chuàng)了熱離子化的質(zhì)譜測定法，對非常小量的核物質(zhì)進(jìn)行精確的同位素定量。這些根據(jù)質(zhì)量電荷比對鈾、钚和其他元素進(jìn)行分類的技術(shù)ORNL和其他實驗室得到進(jìn)一步地開發(fā)，用于從核防護(hù)到生命科學(xué)的應(yīng)用。
在八十年代和九十年代，ORNL的研究人員Scott McLuckey、Gary Glish、Doug Goeringer、Gary Van Berkel、Kevin Hart和Marc Wise在四重離子捕獲質(zhì)譜儀方面作出幾個基本發(fā)現(xiàn)。這個儀器將離子儲存在震蕩的電場內(nèi)，根據(jù)質(zhì)量電荷比，這些離子從陷阱中彈出進(jìn)入探測器。這項工作導(dǎo)致開發(fā)出直接取樣離子陷阱質(zhì)譜儀，2002年被美國環(huán)保局同意用來現(xiàn)場表征廢物場地。該儀器還是由美國陸軍Wayne Griest領(lǐng)導(dǎo)的小組為實時探測化學(xué)和生物威脅試劑所開發(fā)的化學(xué)生物質(zhì)譜儀的心臟。
1985年，ORNL是第一個使用傅里葉變換離子回旋加速器共振的能源部實驗室。傅里葉變換離子回旋加速器共振是另外一個將靜電和磁場結(jié)合起來使離子掉入陷阱的質(zhì)譜儀。Bob Hettich和Michelle Buchanan開發(fā)了將這一儀器的質(zhì)量分辨力用于分析DNA和蛋白質(zhì)，將這些分析工具與生命科學(xué)連在一起的技術(shù)。
九十年代，通過改進(jìn)次級離子質(zhì)譜儀，Peter Todd將整個組織中的靶分子，包括腦組織中的神經(jīng)遞質(zhì)成像，并進(jìn)行分析。McLuckey、Van Berkel和Glish是第一個將電噴電離技術(shù)與離子陷阱質(zhì)譜儀結(jié)合起來的，使找到蛋白質(zhì)成為可能。
Bill Partridge和其他人開發(fā)了空間分辨毛細(xì)管入口質(zhì)譜儀測量戰(zhàn)略，表征用來從柴油發(fā)動機(jī)尾氣去掉污染物的處理后設(shè)備中的反應(yīng)。該技術(shù)現(xiàn)在被政府、學(xué)術(shù)而后工業(yè)研究實驗室所采用，包括Cummins、Ford和Engelhard的實驗室。
ORNL化學(xué)方面的研究活動繼續(xù)支持能源部促進(jìn)能源生產(chǎn)，提高效能和保護(hù)能源生產(chǎn)裝置里和周圍的人和環(huán)境的任務(wù)。
34.核物理和天文物理——從原子到爆炸的星星

ORNL的核物理研究始于四十年代晚期，主要是因為核飛機(jī)工程需要有關(guān)反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子的行為和對屏蔽材料效應(yīng)的信息。1948年，Arthur Snell利用一臺改進(jìn)的3MV的靜電加速器開始了研究。這臺3MV的靜電加速器是一臺高壓直流加速器，通過用質(zhì)子轟擊鋰產(chǎn)生中子束流。1951年，安裝了世界上同類加速器中能量最高的一臺5MV的靜電加速器。
在橡樹嶺Y-12廠，Robert Livingston和他的小組利用從電磁型同位素分離器上丟掉的電磁鐵建造了回旋加速器。這些回旋加速器還從飛機(jī)工程獲得支持，因為它們可用于輻射損傷研究。
1951年，Snell和Frances Pleasonton測量了中子的半衰期，首次從實驗上證明中子衰變?yōu)橘|(zhì)子、電子和電子反中微子。翌年，Alex Zucker利用ORNL第一個重離子回旋加速器束流消除了氫彈爆炸可能引燃大氣噩夢似的憂慮。
1958年在橡樹嶺研究反應(yīng)堆進(jìn)行的首次實驗中，Cleland、Johnson、Snell和Pleasonton在氦-6衰變中觀測到中子和電子發(fā)射的方向，證實了核β衰變的電子中微子理論，該理論是 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的一個主要部分。
六十年代，在橡樹嶺研究反應(yīng)堆上，Philip Miller、James Baird和William Dress與哈佛大學(xué)的Norman Ramsey合作，確定了中子電二極磁矩的上限，一種檢驗在時間反演情況下物理法則不變性的敏感方法。John Gibbons、Richard Macklin和同事們利用3 MV的靜電加速器確認(rèn)原子元素來源于星星中的核合成；加州理工學(xué)院的Willy Fowler因這一理論獲諾貝爾獎，并相信這些數(shù)據(jù)具有重要影響。Ray Satchler和他的同事們開發(fā)了計算機(jī)代碼，分析核散射和核反應(yīng)，Joe McGrory和他的同事們開發(fā)了描述核殼層模型的代碼。所有這些代碼都在世界范圍內(nèi)使用。1964年，橡樹嶺等時性回旋加速器（ORIC）成為利用現(xiàn)在加速器設(shè)計中常見的強(qiáng)聚焦原理首先運行的回旋加速器之一。1971年，利用ORIC發(fā)現(xiàn)了變形的鈾234原子核的可能形狀（左圖）。 1972年，F(xiàn)red Bertrand領(lǐng)導(dǎo)的小組在ORIC發(fā)現(xiàn)了巨大的四極矩共振，引起對這些原子核震動模式的進(jìn)一步研究。Curt Bemis 領(lǐng)導(dǎo)的另外一個組發(fā)現(xiàn)鈾238原子核有一個像橄欖球一樣的十六極畸變。
1980年，Holifield重離子研究裝置（HHIRF）為核物理研究和作為一個用戶裝置開始運行。 25-MV串聯(lián)靜電加速器與ORIC結(jié)合，具有世界上最高的直流電壓。1995年，利用HHIRF，Cyrus Baktash發(fā)現(xiàn)超級畸變擴(kuò)展到比質(zhì)量100 還輕的原子核。1997年，HHIRF改變成為Holifield放射性離子束流裝置（HRIBF），為核結(jié)構(gòu)和天文物理的研究提供在地球上不是天然存在的第一批離子束流。Witek Nazarewicz和其他人預(yù)言了無數(shù)新現(xiàn)象，例如遠(yuǎn)非穩(wěn)定原子核殼層效應(yīng)的穩(wěn)定不變損失，它現(xiàn)在是利用放射性束流進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。2000年，Jorge Gomez del Campo和Jim Beene領(lǐng)導(dǎo)一個小組發(fā)現(xiàn)一種新的放射性形式，既從一個衰變原子核同時發(fā)射出兩個質(zhì)子。
在HRIBF和橡樹嶺電子直線加速器進(jìn)行的測量有助于改進(jìn)模擬新星、超新星和紅色巨星。Michael Smith、Jeff Blackmon、Dan Bardayan和其他人改進(jìn)了星體爆炸中87中不同同位素豐度的預(yù)言。
2001年，Tony Mezzacappa 成立了一個全國性的合作組，模擬超新星的核心塌縮，以便了解超新星的爆發(fā)機(jī)制。Glenn Young和Frank Plasil領(lǐng)導(dǎo)的一個ORNL小組研制出能源部所屬布魯克海文國家實驗室相對論重離子對撞機(jī)上用的探測器，用來研究夸克-膠子等離子體，模擬宇宙開始形成時的情景。2002年，在HRIBF首次產(chǎn)生了錫132束流，從而能夠研究更加不可思議的短壽命原子核。
35.高性能計算——沖擊極限

50年來，ORNL在推進(jìn)計算方面一直是領(lǐng)先者。1954年，Alston Householder領(lǐng)導(dǎo)的一個ORNL小組與阿貢國家實驗室合作建了一臺計算機(jī)，與世界上其他計算機(jī)相比，其速度最快，數(shù)據(jù)存儲能力最大。被稱為橡樹嶺自動計算機(jī)和邏輯發(fā)動機(jī)的這臺機(jī)器，幫助科學(xué)家們解決了核物理、輻射效應(yīng)和研制厄運核飛機(jī)工程的屏蔽方面解決了許多問題。八十年代，ORNL的研究人員利用新的“并行計算機(jī)”取得計算方面的突破。并行計算機(jī)利用幾千個處理器一道工作來解決科學(xué)問題。1995年，ORNL得到Intel Paragon XP/S 150，它是一臺將3000個處理器連在一起的并行計算機(jī)，當(dāng)時在世界上運行最快（右圖）。它幫助科學(xué)家們預(yù)測氣候變化，研制地下水的運動模型。五年后，ORNL成為能源部第一個有每秒運行萬億次計算機(jī)的實驗室。購買了時為世界上第八最快計算機(jī)，現(xiàn)為第十六快的被稱為"Cheetah" 的IBM系統(tǒng)后，ORNL繼續(xù)取得進(jìn)展。
2002年，ORNL建立了超高速實時連接，使得研究界能夠為總體利用挖掘以前沒有的超級計算資源。這一成就是通過縮小能源部Esnet和Internet2之間的差距而實現(xiàn)的。
還是在2002年，ORNL和Cray在能源部的指導(dǎo)下，與其他國家實驗室建立了合作伙伴關(guān)系。預(yù)計該合作將研制出超過世界上運行速度最快的日本每秒運行40萬億次的地球模擬器的能力。這種伙伴關(guān)系提供能夠前所未有地解決科學(xué)問題的資源，在新的世紀(jì)里將ORNL推向超級計算的前沿。
36.軟件模擬——科學(xué)發(fā)現(xiàn)的模型

ORNL在世界范圍內(nèi)對用于科學(xué)發(fā)現(xiàn)的軟件和算法具有重大影響。八十年代晚期，ORNL開發(fā)出并行虛擬機(jī)（PVM）軟件。該軟件的用戶在九十年代中期超過40萬，在世界范圍內(nèi)事實上成為將計算機(jī)組合成虛擬超級計算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。
八十年代中期，Jack Dongarra開始做消息傳遞接口（MPI）的工作。Jack Dongarra在ORNL和田那西大學(xué)均有職位。MPI是世界上科學(xué)代碼使用的占主導(dǎo)地位的編程范例。Dongarra 還領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)了LAPACK和BLAS，以便用高性能計算機(jī)解決線性代數(shù)問題。LAPACK及其并行版本ScaLAPACK現(xiàn)在用于世界上所有超級計算機(jī)上。
九十年代晚期，其他的國家實驗室和IBM 開發(fā)出獲獎的超速數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，通稱高性能存儲系統(tǒng)，現(xiàn)在用于美國全國的超級計算機(jī)上。與此同時，ORNL的研究人員還開發(fā)出電子記事本軟件，能夠使數(shù)個大科學(xué)研究組進(jìn)行更有效地合作。這個軟件在研究、工業(yè)、醫(yī)藥和學(xué)術(shù)界具有成千上萬的用戶。
2002年，由ORNL牽頭的國家軟件計劃，稱為 OSCAR （開放源代碼集群應(yīng)用資源）成為世界上使用最多的集群計算管理軟件，用戶有5萬個。
借助ORNL部分開發(fā)的軟件和模擬代碼，ORNL的研究人員已經(jīng)用超級計算機(jī)進(jìn)行三維模擬聚變等離子體和爆發(fā)星體；尋找基因和預(yù)測隨著工業(yè)排放量變化未來的氣候和模擬汽車碰撞以協(xié)助設(shè)計出重量較輕、效率更高的汽車,以保護(hù)撞車的受害者。ORNL的計算機(jī)模擬巨大的磁致電阻已經(jīng)影響了Seagate和IBM，導(dǎo)致研制出更快的臺式計算機(jī)和更小樣式更新的數(shù)字照相機(jī)。
37.地理信息系統(tǒng)——跟蹤地球 1969年ORNL開創(chuàng)了地理信息科學(xué)，10多年以后商業(yè)地理信息系統(tǒng)（GIS）工業(yè)發(fā)展起來。GIS是一個計算機(jī)系統(tǒng)，它可以收集、存儲、控制和顯示地理信息，包括由衛(wèi)星和飛機(jī)搜集的圖像。ORNL曾利用GIS將涉及局部到全球范圍問題的幾個多學(xué)科研究計劃結(jié)合在一起。左圖：GIS研究人員使用衛(wèi)星圖像
八十年代中期，ORNL的研究人員為美國陸軍有毒和有害物質(zhì)局進(jìn)行了研究，幫助它決定采取處理存在阿拉巴馬州、阿肯色州、肯塔基州、俄勒岡州和猶他州的神經(jīng)毒氣武器的最安全的方法。研究人員采用GIS方法論檢查場地間的貨車和軌道線路，并評估將這些武器運到一個中心焚化裝置的安全問題。陸軍采納了ORNL的建議，在每個場地建造一臺焚化爐，以避免將有毒和有害物質(zhì)運往一場地時存在的潛在危險。
八十年代晚期，美國國家海洋和大氣管理局的國家海洋漁業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)資助研究，將沿海的魚數(shù)量的減少與增長的城市化和農(nóng)業(yè)改變了沿海的風(fēng)景聯(lián)系起來。ORNL的研究人員在技術(shù)上率先做出努力，結(jié)果研制出美國全部沿海地區(qū)土地覆蓋變化的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫。
成功解決任何災(zāi)害的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地估計受影響地區(qū)日間和夜間的人口。通過將GIS和遙感技術(shù)結(jié)合在一起，ORNL的一個小組開發(fā)出最準(zhǔn)確和最詳細(xì)的地球人口數(shù)據(jù)庫以幫助決策者。LandScan能夠啟動ORNL的有害預(yù)測和評估能力（HPAC）軟件，幫助突發(fā)事件的計劃者“搞清”化學(xué)或生物試劑散向哪里和散了多少，哪些人口需要保護(hù)。HPAC被美國和外國政府、北大西洋公約組織的分支機(jī)構(gòu)，以及州和地方緊急計劃和反應(yīng)單位約2000名雇員使用。LandScan被聯(lián)合國和世界范圍內(nèi)的政府部門使用。
38.運輸后勤——找到捷徑

為可能采取的軍事行動，將部隊和所需要的裝備從美國基地運到國外基地，最快的路途是什么？由于ORNL和田那西大學(xué)研究人員為美國空軍開發(fā)的特殊軟件，美國部隊和裝備可比以前更快地被空運到潛在的戰(zhàn)區(qū)。
空中機(jī)動命令（AMC）部署分析系統(tǒng) （ADANS） 是一系列飛機(jī)時序安排運算法則和工具，它們啟動AMC于1990和1991年更迅速和更有效地將部隊和裝備部署在波斯灣。該系統(tǒng)由Mike Hilliard和Charlie Davis領(lǐng)導(dǎo)的ORNL和田那西大學(xué)的研究人員開發(fā)。自1990年，ADANS被用于所有美國在國外的部署，包括索馬里、海地、盧旺達(dá)、波斯尼亞、科索沃、阿富汗和伊拉克。ORNL的研究人員加強(qiáng)和支持了該系統(tǒng)的運行。該系統(tǒng)被重新命名為CAMPS（Consolidated Air Mobility Planning System）。他們正在改進(jìn)時序安排運算法則，以便與一個新的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一道工作。 右圖：一架飛往戰(zhàn)區(qū)的C-17貨機(jī)。
將用過的核燃料從美國東部電廠運到計劃建在西部的永久廢料填埋場，最快和最安全的方法是什么？由ORNL的研究人員Paul Johnson和Richard Michelhaugh開發(fā)的運輸行程安排分析地理信息系統(tǒng)（TRAGIS），可以確定從起始點到目的地的最快高速公路、鐵路或水陸的路線。TRAGIS提供人口分布和密度方面的信息。它選擇符合政府規(guī)定的路線（譬如載有放射性廢料的卡車必須繞過而不是直接穿過城市），如果選擇的路線被堵，它會考慮可供選擇的線路。
TRAGIS的用戶包括美國能源部、國防部、運輸部門和核管理委員會。
39.生物量能量——一個木材的新世界 由于ORNL管理了20年的一項能源部計劃，工業(yè)有了更有效的用于造紙、建材和家具的紙漿和木材來源。能源部生物能的供料開發(fā)計劃的原來目的，是開發(fā)可轉(zhuǎn)化為燃料在農(nóng)場生長的可持續(xù)性的農(nóng)作物。然而，由于ORNL與美國農(nóng)業(yè)森林服務(wù)部門、農(nóng)業(yè)研究站、多所大學(xué)和幾家林木產(chǎn)品公司的合作，選擇和開發(fā)了幾種快速生長的樹木和草，它們可用于木制產(chǎn)品和能源。白楊和柳枝稷作為典型的農(nóng)作物出現(xiàn)。左圖：Janet Cushman在檢查快速生長的柳枝稷，像雜交白楊一樣，它是潛在的能源來源。
能源部計劃的參加者開發(fā)了一種遺傳生長優(yōu)等硬木樹的技術(shù)，每6 到12年可收割一次。美國林木產(chǎn)品工業(yè)采用了這一技術(shù)，特別是在太平洋西北和南部地區(qū)，以及最近在中北部地區(qū)。在全國范圍內(nèi)，大約有120，000英畝的土地被用來種植短循環(huán)木本農(nóng)作物，多數(shù)是白楊或雜交白楊。每年收割的紙漿纖維估計價值約為5000萬美元。
40.聚變能源——尋找最后的能源來源

長期以來，從俄羅斯和日本到歐洲和美國的科學(xué)家們都在謀求開發(fā)聚變能作為豐富、安全和環(huán)境上友好的電力來源。為達(dá)到這一雄心勃勃的目標(biāo)，他們必須克服科學(xué)和工程學(xué)科范圍內(nèi)的問題。ORNL在國際聚變界以實際上在聚變科學(xué)和工程的每個學(xué)科中做出強(qiáng)大貢獻(xiàn)，并在開發(fā)聚變能方面具有保持中心作用技術(shù)的實驗室和聞名。
需要給等離子體加熱和加燃料嗎？ORNL的研究人員發(fā)展了像子彈式的小的固體氫氣球、功率比家庭用的微波爐高數(shù)百倍的高頻微波管、粒子束流和具有功率幾兆瓦將聚變等離子體加熱幾百萬度的高頻加熱系統(tǒng)的物理和技術(shù)。
需要一個更好的磁約束系統(tǒng)嗎？ORNL的研究人員已經(jīng)開發(fā)出改進(jìn)的磁“瓶”，現(xiàn)正在馬德里、牛津、莫斯科和普林斯頓的裝置，以及普林斯頓和橡樹嶺（即準(zhǔn)-磁場極向仿星器，一種開發(fā)較小不太昂貴的聚變設(shè)備的方法）新的裝置上進(jìn)行試驗。這些新的裝置通過利用ORNL最先進(jìn)的計算機(jī)已經(jīng)被開發(fā)出來。
需要壽命更長、更可靠的材料嗎？滿足工程試驗反應(yīng)堆需要的新材料已經(jīng)在ORNL開發(fā)出來。由于ORNL的獨特輻照和微型表征裝置，研究人員們就材料如何對輻射做出反應(yīng)有了一個基本的了解，從而能夠創(chuàng)造新的材料。
這里是ORNL聚變能事業(yè)中經(jīng)選擇的一些最精彩的部分。為使持續(xù)的聚變反應(yīng)產(chǎn)生像其被引入到聚變裝置里那么多的能量（能量無虧損），必須滿足某些條件。它們是在足夠長的時間內(nèi)有非常高的聚變等離子體溫度和密度，即所謂的Lawson準(zhǔn)則。1978年，Hal Haselton領(lǐng)帶下開發(fā)出來的ORNL高功率中性束流注入等離子體加熱系統(tǒng)，使得普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的托卡馬克獲得等離子體的最高溫度。1983年，利用由ORNL的Stan Milora和其他人率先開發(fā)的加燃料技術(shù)在MIT的Alcator-C托卡馬克裝置上所作的里程碑色實驗中，首次超越Lawson準(zhǔn)則。所謂加燃料技術(shù)，是從氣槍將凍結(jié)的氫“子彈”射入等離子體室內(nèi)。1986年，Milora和PPPL的G.L.Schmidt在其進(jìn)行的實驗中，利用ORNL研制的像機(jī)關(guān)槍式的燃料注入器，在PPPL的托卡馬克聚變試驗反應(yīng)堆上確定了Lawson 的最高參數(shù)。右圖：ORNL的研究人員已經(jīng)設(shè)計出緊湊型的準(zhǔn)--磁場極向仿星器——一種10年內(nèi)ORNL將建造的聚變研究設(shè)備。
總之，ORNL以將其主要的能力運用到推進(jìn)磁聚變達(dá)到產(chǎn)生使用功率的目標(biāo)而知名。
41.技術(shù)轉(zhuǎn)讓——從工作臺到市場

四十多年來，ORNL開發(fā)的許多技術(shù)被轉(zhuǎn)化為構(gòu)成作為創(chuàng)建新公司基礎(chǔ)的實用產(chǎn)品和服務(wù)項目?，F(xiàn)在，作為實驗室的一部分， ORNL的技術(shù)轉(zhuǎn)讓計劃及其帶來的經(jīng)濟(jì)增長是基礎(chǔ)科學(xué)研究的“下游的”副產(chǎn)品。的確，自2000年4 月30日以來，利用ORNL轉(zhuǎn)讓技術(shù)的30家新公司，包括橡樹嶺地區(qū)的許多公司成立。
ORNL技術(shù)轉(zhuǎn)讓的典型例子是在探測器、傳感器和掃描儀領(lǐng)域。1960年，ORNL的John Neiler、Jack Gibbons、Hal Schmitt、和Phil Miller成立了ORTEC公司。這個派生的公司建造和銷售以O(shè)RNL開發(fā)的硅表面障礙探測技術(shù)為基礎(chǔ)的帶電粒子（α粒子、裂變碎片）探測器。ORTEC現(xiàn)在是AMETEK公司的一部分，曾經(jīng)是商業(yè)輻射探測儀器方面世界上的領(lǐng)先者。Tennelec是1960年由Edward Fairstein創(chuàng)辦的一家橡樹嶺公司，為ORTEC探測器制造信號放大器，現(xiàn)被Canberra擁有。ORTEC和Tennelec的創(chuàng)辦標(biāo)志著ORNL首批有幾個重要意義的技術(shù)轉(zhuǎn)讓的例子。
七十年代中，ORNL的研究人員開發(fā)出一種分析反應(yīng)堆中噪音的技術(shù)。GE公司購買了這一技術(shù)。該技術(shù)能夠測量沸水反應(yīng)堆中的穩(wěn)定性。
為物理和中子散射實驗發(fā)明了測量粒子從靶彈出的角度和能量的位置敏感探測器。由Cas Borkowski和Manfred Kopp發(fā)明的這些探測器已實現(xiàn)商品化。
ORNL的物理學(xué)家和電子學(xué)專家們在研制探測器和電子學(xué)部件，尋找在美國能源部所屬布魯克海文國家實驗室模擬的宇宙開始（夸克-膠子等離子體）的證據(jù)中發(fā)揮了重要作用。PHENIX探測器的研制工作為ORNL在創(chuàng)新低功率、混合信號集成電路中發(fā)展重要的能力提供了跳板。幾個在探測和測量市場上崛起的小公司通過特許協(xié)議和合作充分利用了這一能力。
像自行車輪胎一樣，核電廠有控制閥，使氣體或液體只向一個方向流動的設(shè)備。八十年代，Howard Haynes、Don Casada、和Dave Eissenberg發(fā)明了磁技術(shù)，這些技術(shù)非干涉性地監(jiān)視控制閥內(nèi)部部件的運動，能夠找到發(fā)生故障或以一種可能導(dǎo)致過早失效的反常方式運行的閥門。Framatome ANP轉(zhuǎn)讓了ORNL的這一技術(shù)，該技術(shù)是售出用于診斷電廠閥門中問題的系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
Framatome ANP還轉(zhuǎn)讓了Haynes和Eissenberg的發(fā)明。該發(fā)明將馬達(dá)和發(fā)電機(jī)的信號細(xì)分的非常詳細(xì)，以至于甚至機(jī)器中一些小的變化都能探測到。Framatome ANP已經(jīng)向包括波音、Eli Lilly、General Motors宇航局再內(nèi)的客戶銷售了50個改進(jìn)設(shè)備安全和可靠性及預(yù)測設(shè)備壽命的信號分析系統(tǒng)，以及電器設(shè)備。
九十年代，Randall Wetherington領(lǐng)導(dǎo)的ORNL的工程師們世界上最先進(jìn)的水下聲學(xué)測量系統(tǒng)。美國海軍正在利用這一技術(shù)決定下一代潛艇是否在為躲避敵人潛艇探測所需要的平靜水平開動。 Michael Paulus和Shaun Gleason研制出MicroCAT掃描儀，一種繪制實驗老鼠中內(nèi)部缺陷和器官變化的X光計算斷層照相系統(tǒng)。 他們的公司ImTek已經(jīng)向大學(xué)和私營公司銷售了17 臺掃描儀，用于開展癌癥、遺傳學(xué)和發(fā)現(xiàn)藥物的研究。
Thomas Thundat說明微型懸臂 — 類似原子力顯微鏡中探頭的微型跳板，可用來探測環(huán)境污染物、爆炸物和疾病的化學(xué)信號。ORNL的這一技術(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給了Graviton公司，用在很快就上市的化學(xué)和生化傳感器上；轉(zhuǎn)給讓Sense Technologies公司，用于在機(jī)場探測為爆炸的軍火；還轉(zhuǎn)讓給Sarcon公司，用于紅外線成像。左圖：當(dāng)微型懸臂涂上吸收特殊分子的物質(zhì)后，它會更加彎曲，其自然震蕩率會變化，改變引入激光偏轉(zhuǎn)的角度。
這些和其他幾十個ORNL的技術(shù)令人確信科學(xué)的發(fā)現(xiàn)會給我們服務(wù)的公眾帶來各種各樣的好處。
42.科學(xué)教育——打下基礎(chǔ)

自從成立以來，ORNL就為教育陪許和研究機(jī)會提供了資源。1946年初Eugene Wigner成為ORNL負(fù)責(zé)研究的所長后，他建立了橡樹嶺反應(yīng)堆技術(shù)學(xué)校。該校成為幾所大學(xué)核工程課程的典范，是ORNL對核能的最大貢獻(xiàn)。該校的畢業(yè)生中有的成為核工業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)人，包括Hyman G. Rickover船長，他來到橡樹嶺調(diào)查美國海軍是否可利用核能。
隨著創(chuàng)建科學(xué)聯(lián)盟 – 一個與田那西大學(xué)（UT）聯(lián)合研究計劃，ORNL在八十年代中期擴(kuò)大了教育的范圍。由田那西州提供經(jīng)費，科學(xué)聯(lián)盟相信將ORNL和UT的研究項目結(jié)合起來定會使公眾受益。
2000年UT作為ORNL的總承包者加入Battelle后，關(guān)系進(jìn)一步擴(kuò)大。從此，每年共有教師、研究生和在這兩個機(jī)構(gòu)工作的博士后研究人員的數(shù)量均有增加。UT-ORNL合伙包括聯(lián)合管理從事生物科學(xué)、計算科學(xué)和中子科學(xué)研究的新設(shè)施和研究部門。
ORNL與UT的密切關(guān)系今天因與橡樹嶺聯(lián)合大學(xué)和ORNL與之進(jìn)行各種研究活動的6 所核心大學(xué)結(jié)成伙伴關(guān)系而得到加強(qiáng)。這6所核心大所（杜克大學(xué)、佛羅里達(dá)州立大學(xué)、喬治亞工業(yè)大學(xué)、北卡羅萊納州立大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)和弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)）提供支持ORNL研究項目的各種研究能力。
ORNL的研究范圍不局限于高等教育。每年有6，000多名K-12區(qū)域里的學(xué)生上由ORNL主辦的理科教育班。Each year more than 6000 area K-12 students receive science education classes sponsored by the laboratory. ORNL還是理科和工程競賽的發(fā)起者，以及給田那西大學(xué)理科、數(shù)學(xué)和工程獎學(xué)金的贊助者。
2003年，像60年前作的那樣，ORNL的任務(wù)包括承諾分享科學(xué)探索的效益。
43.廢料管理——結(jié)束核周期

石墨反應(yīng)堆變成臨界六十年后，今天，ORNL通過發(fā)現(xiàn)隔離核廢料的安全方法，正幫助結(jié)束核的周期。最重要的工作可能關(guān)系到地質(zhì)上處理用過燃料和高放射性核廢料儲存地的選址，它是導(dǎo)致國會批準(zhǔn)絲蘭山（內(nèi)華達(dá)州）作為可能處理場地努力的一部分。努力的過程開始于1955年美國國家科學(xué)院召開的專門制定美國永久處理反應(yīng)堆廢料計劃的一次會議。與會的65名科學(xué)家中，有ORNL的科學(xué)家Floyd Culler、Roy Morton、和Ed Struxness。與會者推薦采用層狀鹽作為高放射性廢料處理的最佳方法，盡管存在其他的選項。
1958年美國原子能委員會（AEC）請ORNL管理核廢料儲存計劃，很大程度上是因為其科學(xué)家在廢料管理研究中早期的領(lǐng)導(dǎo)能力。六十年代，ORNL在堪薩斯鹽礦管理一個重要的表征和試驗計劃。1970年，宣布美國第一個示范儲存地將選在這里，但對技術(shù)和政治上的關(guān)注推翻了這一決定。通過研究多種類型的巖石和改善選址標(biāo)準(zhǔn)，ORNL繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)AEC的核廢料儲存計劃。1976年，在橡樹嶺設(shè)立了廢料隔離辦公室，后來該辦公室轉(zhuǎn)入Battelle紀(jì)念協(xié)會（Memorial Institute）。
ORNL還曾是管理低放射性核廢料（LLW）方面的領(lǐng)導(dǎo)者。七十年代晚期和八十年代初期，ORNL曾當(dāng)過美國能源部國家低放射性廢料計劃的副主任。具有高度創(chuàng)新性降低掩埋低放射性廢料釋放核素的現(xiàn)場處理技術(shù)被采納。最后，與橡樹嶺Y-12工廠生產(chǎn)氫彈計劃用的濃縮鋰所用水銀有關(guān)的處理問題，多數(shù)由ORNL的科學(xué)家們解決，幫助激勵能源部確定了補(bǔ)救行動計劃。從清除舊的場地到建設(shè)最新的處理場地，可靠的廢料管理已經(jīng)成為核周期的中心部分。
44.政府政策——幫助美國的科學(xué)發(fā)展

ORNL的研究已經(jīng)為聯(lián)邦政府的科技政策決策者們提供了重要信息，造成爭論，有時成為各種法律、條例和其他政策的措辭。 例如，自六十年代以來，ORNL的研究導(dǎo)致制定了幾個規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)了核電廠運行的安全。
1974年，當(dāng)ORNL前所長Alvin Weinberg領(lǐng)導(dǎo)為聯(lián)邦能源管理局提供咨詢的聯(lián)邦能源辦公室時，他建議開發(fā)有效利用能源的技術(shù)和研究能源生產(chǎn)的長期氣候生物效應(yīng)。這些建議得到由Jack Gibbons, Roger Carlsmith和Eric Hirst（他開發(fā)出建筑物中提高能效的工具和功率傳輸系統(tǒng)）以及Eric Hirst（他研究植物如何吸收大氣的二中氧化碳和死后返回二氧化碳，作為全球碳周期的一部分）領(lǐng)導(dǎo)的現(xiàn)在正在進(jìn)行的ORNL實驗結(jié)果的支持。
“RNL對美國人考慮能源和清潔有效地使用能源的方式產(chǎn)生重要影響?！盩om Wilbanks說。Tom Wilbanks是ORNL學(xué)會的會員，曾為四大洲四十的國家的人提供解決能源和環(huán)境問題方面的幫助。當(dāng)六十年代Weinberg 預(yù)見到ORNL可能成為國家環(huán)境研究與開發(fā)實驗室后，美國的能源政策制定開始發(fā)生許多變化。作為這一先見之明的表現(xiàn)形式，在ORNL制定了美國自然科學(xué)基金會環(huán)境計劃，由麻省理工學(xué)院的David Rose負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，Gibbons為他的副手。Gibbons后來成為美國國會技術(shù)辦公室的主任和比爾?？肆诸D總統(tǒng)的科學(xué)顧問。
Carlsmith、Hirst和其他ORNL的人員在說服美國政策制定者和商界領(lǐng)導(dǎo)人關(guān)于提高能效并不意味降低能源服務(wù)時起了重要作用。工業(yè)領(lǐng)導(dǎo)人事實上開始看到能效可能是好生意。像Honeywell和Johnson Controls這樣的公司開始銷售設(shè)備監(jiān)視能耗，而能源部則確定了國家器具效率標(biāo)準(zhǔn)。由David Greene和其他人領(lǐng)導(dǎo)的ORNL研究也影響了提高運輸能效政策的改進(jìn)。
ORNL還在培育環(huán)境影響分析的藝術(shù)和科學(xué)，幫助形成實施1969年美國國家環(huán)境法中發(fā)揮了突出作用。另外，ORNL在七十年代影響了美國國家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的出臺。由Chuck Coutant領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)于從電廠冷卻系統(tǒng)放出的經(jīng)加熱的水的魚和水中生命的效應(yīng)研究在1970年清潔水法的一節(jié)和環(huán)保局的執(zhí)行文件中有所反映。環(huán)保局的執(zhí)行文件仍然是評估熱排放效應(yīng)的基本方針。
45.ORNL的未來——下一代大科學(xué)園地  1943年，6000多名工人開始建造大約150棟建筑物，后來它們構(gòu)成橡樹嶺國家實驗室?，F(xiàn)在，該實驗室的全體工作人員正在重建這一實驗室。除14億美元的散裂中子源外，3億美元的現(xiàn)代化計劃將會使它能夠吸引下一代世界水平的科學(xué)家到橡樹嶺國家實驗室工作。私人資助的設(shè)施: 建在能源部立契轉(zhuǎn)讓的土地上，30萬平方英尺的設(shè)施里建有最先進(jìn)的能源和計算科學(xué)實驗。
高能所科研處制作 內(nèi)容由侯儒成譯自O(shè)RNL網(wǎng)