美国橡树岭国家实验室庆祝成立75周年之际，基特·查普曼（Kit Chapman）探访了这一原子时代的发源地。
美国橡树岭国家实验室（ORNL）
1942年10月，在美国田纳西州诺克斯维尔西部的宁静山谷里工作的农民，从田地里劳作完回来，看到贴在家门上的告示。美国军队沿17英里（约27千米）长的克林奇河挨个查看了所有的宅地，在蜿蜒的土路穿过大雾山。告示要求，所有的居民在6个星期之内要永久搬离这片区域。田纳西州的第二次世界大战已经来临。
该区域是由负责曼哈顿秘密项目的军官莱斯利·格罗夫斯（Leslie·Groves）准将为军事基地精心挑选的。他选择这个山谷有几个原因：地区虽然偏远，但道路良好，还连接着铁路；在大萧条时期此地还修建了大量的水电大坝，可以保障电力的供应；同样重要的是，山谷有好几条天然的山脊线，各区域之间的运行相对独立。对于制造原子弹而言，这样的天然屏障非常关键。
到1943年秋天，军队已经完全控制了这个山谷，并以前所未有的规模对此地进行了改造。两年之内，一个繁荣的社区在隔离区里初见雏形，这里居住着7.5万人，科学家、士兵和他们的家人。这其中甚至还有后来的名人，例如助理餐厅经理哈兰·桑德斯（Harland Sanders）后来创立了肯德基。除了定期有军用卡车出入外，这个基地没人进来，也没人出去。
X-10建筑里的核反应堆是曼哈顿项目的核心部分，是橡树岭实验室运营的驱动力
大多数工作人员并不了解他们的秘密任务，但行动的规模告诉他们任务的重要性。在其中一个山谷，有着世界上最大的建筑，K-25气体扩散工厂，占地15.2万平方米，专门用来进行铀浓缩。另一个山谷里的Y-12，安放着曼哈顿计划里的同位素分离器，用于分离铀同位素的大型磁体。最后，在一个简陋的、不起眼的、像是旧钢铁厂的瓦楞铁建筑里，放着X-10。世界上第一个永久核反应堆出现的时候，意大利裔美国物理学家和恩里科·费米（EnricoFermi）就在里面工作，为第一颗原子弹的设计创造条件。
这个秘密城市需要一个名字，以防被外国间谍无意中听到，同时也不能引起任何注意。最终，军队驻扎在橡树岭。75年之后，《化学世界》编辑部拜访了他们。
从战争到和平
如今，橡树岭国家实验室是美国能源部国家实验室系统中最大的科学和能源实验室。成立以来迄今的75年里，一直是美国科学成就的动力之源。Y-12现在是一个独立设施，依然屹立山脊，已是国家的安全中心；X-10反应堆仍然保持关闭，作为核电站诞生的纪念碑保存。
实验室前副主任，2017年12月退休的詹姆斯·罗伯托（James Roberto）解释说，“战争结束时，我们拥有了世界上最好的中子源。”尤金·维格纳（EugeneWigner，诺贝尔奖获得者、物理学家）在考虑，为什么不在周围建一个国家实验室呢？美国当时正在努力建设商业核能工业，并需要一个可以用于燃料和分离化学的反应堆。在曼哈顿计划之外，没有人知道核反应堆――因此橡树岭协助开发了核工程，培训了数千名核工程师，甚至帮助美国海军发展了核潜艇。
“在曼哈顿计划之后，我们也开发了中子散射，由此我们第一次获得诺贝尔奖（1994年获得），我们开始生产并分销放射性同位素药物。那是我们首次重大的技术转让行为，现在它已经形成一个数十亿美元的产业。那时我们制造了碘-131、磷-32和碳-14，因为当时没有其他人能制造出来。现在，我们仍然制造其他任何人都无法制造的同位素，包括用于发现新元素的靶元素。例如，117号元素（Tennessine）就是2010年使用锫靶元素发现的新元素，这正是橡树岭曾对科学作出贡献的有力证明。
橡树岭国家实验室不再只专注原子能研究。它拥有美国最大的材料科学团队和最多样化的能源团队。在其中一间实验室，研究团队正在3D打印一艘完整的潜水艇（在此之前，他们曾制作了一个20世纪60年代款的谢尔比眼镜蛇跑车，在底特律车展上展出――实在太逼真，研究人员不得不挂出牌子，告知大家它是3D打印作品）；在另一间实验室，他们建造了世界上最小的中微子探测器，最新又补充了散裂中子源，它提供了世界上最强烈的脉冲中子束，用于探测各种材料，并能在所有科学领域进行相关试验。
一旦经过了岗哨，在毫无察觉时你就已经接触到安全设施了。站在中央区域感觉更像是在一个大学校园里。在广阔的路面上行驶，成群的野火鸡在林间悠闲，让人觉得这里简直就是乡间田园，而不是拥有4700名员工、每年4000名访问学者、年预算达15亿美元的科学研究基地。罗伯托说：“这一预算用于资助1?000多个不同的项目，我们会为所有项目争取资金。所有的运营支持和工作人员工资都来自这些项目，不再有其他资金来源。”
罗伯托说，橡树岭国家实验室，至少十年就会带来10亿美元的创新价值。“这是田纳西州，不是加州。”他笑着说。
高通量和高放射性实验室
我站在一间控制室里，看起来像是科幻电影里才有的东西。透过观景廊往下看，就像一个诱人的池子。但这里并非你想要游泳的地方――在它的底部，17英尺（5米）以下，是核反应堆的顶部。高通量同位素反应堆（HFIR）是1965年在橡树岭建造的第13个反应堆，也是目前唯一仍在使用的反应堆。
国家实验室涉及的领域已经远不止核化学，甚至还有3D打印大马力跑车（又称“肌肉车”）
在池中，你可以看到控制室的反应堆容器顶部和之前的反应堆循环使用的乏燃料气缸。其中一个发出铁蓝色光辉，将一种奇怪的光投射到水中。这是切伦科夫辐射，泄漏裂变所释放出的粒子在水中传播的速度比光在水中传播的速度还快。在反应堆中，一个单一的燃料气缸被一英尺（约0.3米）厚的铍所包围，将中子反射回核心，使反应堆达到临界。一旦出现任何问题，由电磁铁支撑的安全板，就会充当安全装置而坠毁。
高通量同位素反应堆可以产生奇特的超铀元素
燃料棒发出特有的蓝光，这便是切伦科夫辐射
凯文·史密斯（Kevin Smith），反应堆研究部门的副主任，也是我此行的向导，把我带到一个虚拟的圆柱体前，让我往里面看。圆柱有2英尺长（约0.6米），其内部有3个较小的气缸――从顶部看起来像一只牛眼。外部和中间部分填充了540个金属板，为冷却剂装入提供一个恒定的宽度。在其中心，一个5英寸（12厘米）大小的孔眼可以撑住靶棒，再被浸泡入中子，进而将其转化为更重的元素。
史密斯解释说：“这是一个通量阱。中子泄漏到中心并达到峰值通量。”他从气缸的中心抽出一根两英尺（约0.6米）长的棒子，粗细像铅笔一样，“你把上面的部分拧下来，然后可以放入7只兔子。粗略估算，如果你正在设计一个全尺寸实验，至少需要几十万美元。光是这些小兔子就值1万美元。”
一个反应堆周期约为25天，产品的范围从微量的镄到美国宇航局（NASA）用来为火星探测器或旅行者号探测器提供动力的钚-238。目前，该反应堆正在生产锎-252，完成需要4个周期。高通量同位素反应堆是世界上仅有的2个能够生产可测量的超锔元素的设施之一，另一个位于俄罗斯的季米特洛夫格勒。
靶棒内装有用于进入反应堆处理的材料
材料一旦被创造出来，就必须隔离。在不远的山上，坐落着强放射性实验室。在橡树岭，这些实验室简直像核和放射化学运行的“心脏”。Cf-252项目经理朱莉·埃兹沃尔德（JulieEzold）解释道:“墙壁是54英寸（约1.3米）的混凝土，每扇窗户都有3~8英寸（7.6~20.3厘米）厚度的含铅玻璃，玻璃中间都是矿物油。”操作员每天工作12小时再换班。酸碱化学用来将靶材料从铝基体中分离出来。然后在一圆柱中使用α-羟基异丁酸，分离出每一个靶元素。埃兹沃尔德说：“这是纯化学实验，只是多了一点辐射而已。我仍然认为这不是生产过程，而是完整的实验过程。”
操作辐射室隔间本身就是一门艺术，实验室每个密封装置都可以叫做隔间。机械手臂穿过玻璃进入辐射室的狭窄空间，熟练地操作，其金属爪可以在里面操作微量吸液管。观摩研究小组的工作真是令人着迷：操作过程如专业的芭蕾舞旋转和轻盈弹跳。光是知晓所有路线和管道的位置就够难了――在辐射室的天花板上，所有的东西都像意大利面条一样悬挂着。有时团队使用镜子来了解进展情况，有时候操作者需要测位仪。提取过程如此精确，才可以获得毫微克的质量。埃兹沃尔德说：“它们太有魔力了，这是科学和艺术的结合。”
科学家操作机械手臂以“把控”辐射材料，技术要求极高
记住泰坦
高通量同位素反应堆和辐射室的山脊背后是一个巨大的白色房间，就像科幻电影里的场景。白色的地板，白色的墙壁，白色的天花板。你需要护耳器来隔开持续的嗡嗡声，一件厚的衬衫来抵御制冷剂带来的寒气。前方映入眼帘的是一排柜机，上面闪亮着一个词：Titan（泰坦）。这是世界上最快的超级计算机之一（一共8个）。领衔计算设施项目总监巴迪·布兰德（BuddyBland）说：“这基本上有一个篮球场大小。”
超级计算机速度的测量方法是一秒钟的浮点运算（flop，即每秒浮点计算）。泰坦的前身――美洲豹，计算速度在每秒0.26亿次浮点运算（2.6×1015flops）。2009年那会，它是世界上速度最快的计算机，但即便如此，还是太慢。布兰德解释说：“用户告诉我们，他们无法在既定的时间内解决一些问题。”后来泰坦取而代之。它的最大处理能力是每秒2.7亿次浮点运算，2012年开始运行时，它获得了超级计算机的王冠。
大型计算机泰坦
泰坦在很多方面都只是一台普通的计算机。它是Linux操作系统，连接互联网（作为研究网络的主要枢纽之一，它与欧洲核子研究中心、日本及其他国家有直接的光纤连接），并且可以像普通的PC机一样开启和关闭。当然，橡树岭的工作规模截然不同。泰坦的每一个节点都有一个6 GB的图形处理器和32 GB的中央处理器，比市场上的任何游戏控制台都要强大。泰坦有18688个这样的节点一起同时工作――56640个核――记录大约2万个驱动器。驱动器可以容纳大约32pb的数据，并能以每秒1tb的速度从泰坦中传输数据。
如此强大的处理能力需要巨大的能量。泰坦的供电电缆的铜线都以英寸计，以满足其大电量的需求。布兰德说：“这台机器使用的功率为9兆瓦。整个橡树岭城市才使用100兆瓦的电力。”机柜的热空气吹出来温度将近50℃，但经过四氟乙烷的持续冷却后降到20℃。偶尔会出现断电，但不会影响系统。
与大多数研究计算机不同，泰坦只服务那些确需要超级计算机的项目。布兰德说：“我们提供的高性能计算和数据资源，比其他地方的开放科学研究的系统要强大10~100倍。世界上任何人都可以申请使用它。通常我们会说，‘如果因为体积太大，或者要花费太多时间，你在别的地方不能做，那就到我们这来做。’这就是为什么它被称作‘顶级计算机设备’。”
尽管泰坦的能力惊人，但它注定是要被替代的。按计算速度来排行的话，目前它在世界最快计算机排行上只排在第5。对于布兰德的用户来说，速度还不够快。橡树岭已经在建造一个新机器，起名Summit。预计Summit的计算能力将达到20兆次浮点运算，很可能成为世界上超级计算机之最。一旦Summit运作开始，泰坦就会被淘汰。他估计：“我们可能会有半年到一年的重叠期。一旦Summit启动，泰坦就会被关掉，不再使用。”
纳米级的世界
计算机并非发展迅速的唯一领域。橡树岭纳米材料科学中心主任汉斯·克里森（HansChristen）说：“橡树岭拥有尖端技术的显微镜，可以做你现在在其他地方都做不了的事情。橡树岭最新添加的是尼康的仪器，一种单色扫描透射电子显微镜。它的能量分辨率大约10兆电子伏，进入了中子级的探测范围。”这使得以纳米尺度来测量电路中的热量变化成为可能，而这也基本达到了温度概念中的最低点。
纳米材料科学中心有专门的电子显微镜
克里森表示，当用户不能独立完成任务时，他们会来这里。在另一个使用电子显微镜的例子中，他展示了在硅晶体和无定形区域之间的界面上，电子束通过发光使非晶材料结晶。光束甚至可以用来写你的名字。“那部分比较无聊。”克里森耸了耸肩。改变结构可以让你在纳米级别封装胶囊，或者在石墨烯上钻洞。他说：“我们正在转向把显微镜当作一种操作材料的工具。”
这次探秘很好地说明了橡树岭如何解决威利·旺卡巧克力工厂的问题。有一台氦离子显微镜，不使用电子，与样品表面的一个更小的区域相互作用，从而产生比扫描电子显微镜更高的分辨率。克里森解释说：“这样的设备世界上大约只有10台。这是能做的最高空间分辨率的化学成像。”在隔壁房间，他们正在用纯金建造3D纳米结构，有一天可能用于分子机器、电极通道，甚至是3D笼子来捕捉单个生物细胞。在接下来的研究中，铜纳米颗粒被沉积在碳钉上，在二氧化碳的电化学催化下直接产生乙醇，这可能是垃圾转化为燃料的重大突破。
纳米级的世界发展迅速。就像过去75年里在橡树岭所做的一切一样，重点是领先，而不是保持同步。“这是一场持续的比赛，对吗?”克里森说:“我们有一些小东西，它们一到这里就会变得过时。如果我们什么都不做，仍然会拥有比现在的大多数大学更好的东西，但我们不会在这一领域长期保持领先地位。”
克里森笑着说出了自己的口头禅：“我们创造的仪器独一无二，这是其他仪器无法做到的。这才是王道！也是我们要去做的！”
资料来源 Chemistry Word
责任编辑 游溪