美国阿贡国家实验室:科学研究的圣地

2011-11-01 10:53 来源: 《科学新闻》
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  美国伊利诺伊州东北,一片美丽茂密的森林保护区环绕着美国中西部最大的国家实验室

  阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory,ANL,下称阿贡)就在这里。

  阿贡是第二次世界大战后美国创建的第一个国家实验室。作为美国能源部所属的最老也是最大的科学与工程研究实验室之一,阿贡拥有包括1000位科学家和工程师在内的大约3000名雇员,其中75%的人拥有博士学位。其致力于使用世界级科学、工程和用户设施创造和传输创新研究和技术,并积极通过转让许可、联合研究和其他一些合作方式,促进其研究成果的商业化转移。

  当前的阿贡已经与超过600家公司,以及无数的联邦机构和其他组织成功合作。

成长之路

  阿贡作为二战时期美国陆军部实施的利用核裂变反应来研制原子弹的计划,亦称曼哈顿计划的一部分,是从芝加哥大学的冶金实验室的基础上发展起来的。过去半个世纪中,芝加哥大学代替美国能源部及其前身担负着监管阿贡运行的任务。

  1942年12月2日,阿贡的第一位诺贝尔奖获得者美国科学家费米(Enrico Fermi)和约50名同事,在芝加哥大学成功启动了世界上第一次自持式核反应堆的临界试验。不久,该反应堆经改建后作为反应堆控制材料试验研究和核物理研究使用的研究堆。当时的阿贡还只是芝加哥大学冶金实验室战时工作的一部分。

  几个月之后,该反应堆移至位于美国伊利诺伊州东北部库克县的阿贡森林保护区。后来,反应堆附近渐渐成长起来的小实验室开始以“阿贡实验室”的名字为外界所知晓。

  1946年7月1日,曼哈顿工程所属的冶金实验室正式更名为阿贡国家实验室,曾经在这里启动世界上第一台重水慢核反应堆的核心人物、曼哈顿计划的老将、美国物理学家沃尔特·津恩(Walter Zinn)当选第一任主管。

  二战后,阿贡开始接受开发和平利用原子反应堆的任务。1948年4月22日,Walter Zinn向原子能委员会(AEC)提出建立全国性核反应堆试验场的建议。这一建议后来被称为直接促成了今天爱达荷国家实验室的前身——美国国家核反应堆试验站的建立。随后,阿贡与美国西屋公司签订技术合作协议共同开发商用核电,阿贡拉开了与商业企业合作的帷幕。

  世界上第一种来自于核能的可使用电力、第一个国际性核科学和工程学校、“聘用工程”计划等诸多第一和计划在阿贡展开。

  60多年来,阿贡共有三位科学家获得诺贝尔奖:Enrico Fermi因利用中子辐射发现新的放射性元素,及慢中子所引起的有关核反应,获1938年诺贝尔物理学奖;Maria Goeppert Mayer(女)因研究原子核壳模式取得的成果而分享1963年诺贝尔物理奖;Alexei A.Abrikosov 因其提出的在极端低温时物质如何显示其奇异行为理论获得2003年诺贝尔物理奖(与他人分享该奖)。

阿贡今天

  发展至今,阿贡的研究领域不断扩大,涵盖了科学、工程和技术等众多领域。阿贡拥有东西两个园区:东区位于伊利诺伊州占地6.9平方公里的森林保护区内。西区位于爱达荷州蛇河谷爱达荷瀑布西约50英里处,是阿贡多数主要核反应堆研究设施的所在地。2005年,阿贡(西)脱离阿贡,与紧邻的爱达荷州国家工程和环境实验室合并成为爱达荷州国家实验室。

  如今阿贡进行了众多跨学科的基础与应用科学研究,这些学科包括高能物理学、气候学、数学和计算科学和生物工业学等。目前,阿贡致力于能源、生物与环境以及国家安全三大主要研究领域:

  能源:阿贡不断开发新的先进电池和燃料电池,新的电力生成和储存系统,以及新的能源交通系统,以增加美国的能源使用效率,扩大能源范围。阿贡还致力于核能的研究,为提高美国核反应堆的安全和寿命而工作。

  生物与环境:阿贡建立了分子标尺、水文学、经济以及社会综合计算模型,以便通过宏基因组分析、蛋白质发现和区域气候预测来进行区域生态气候评估。

  国家安全:阿贡致力于开发关键性安全技术,用于保卫美国国土安全以及减轻大规模意外突发事件带来的危害。阿贡提供科学决策,研究开发新的传感器和材料,以及网络安全技术,努力防止核扩散和大规模杀伤性武器扩散。

  阿贡还设计、建造、运行和管理着许多科学和工程研究高端设施,如先进光子源、串列直线加速器系统、纳米尺度材料中心、电子显微中心和强脉冲中子源等。这些复杂而造价昂贵的设施都作为美国国家科学资源而加以管理,实验室也将这些设施向来自工业界、学术界,甚至其他国家的研究人员开放,然后根据研究成果是否公开发表等条件判断是否收取一定费用。

  阿贡拥有多学科、众部门庞大的科研体系,要使数量繁多的各学科实验室有条不紊的运行,阿贡有着自己独特的管理模式。

承包管理

  阿贡实行GOCO管理体制(Government Owned and Contractor Operated),即实验室的土地和研究设施由政府拥有或租用,而管理工作由政府通过合同委托企业、大学或非营利机构等承包商负责。

  2006年10月,芝加哥大学成立的实体———UChicago阿贡有限责任公司(简称UChicago公司)开始负责阿贡的管理和运行。美国能源部与UChicago公司签署协议,协议有效期为5年,5年后能源部对阿贡进行评估,并决定合同的续签或变更。

  能源部对阿贡采取以结果为导向,以成绩为基础的目标任务合同制管理。

  华中农业大学农业科教发展战略研究中心王鹏曾指出,通过合同管理制度,阿贡不仅可以避免政府机构的过多干预,保证了其相对独立、便于营造宽松的研究环境,而且也便于阿贡与承包方建立起学术、管理和经济上的多渠道联系,提高科研效率,实现互利双赢。

  阿贡内部的管理则以“部”为基本单位,“部”下面设课题组,一般来说,科学家各自独立做研究,但是合作非常紧密。美国辛辛那提大学终身教授时东陆提到,事实上,阿贡的内部管理因学科性质的不同而不同,基础科学部门与工程应用科学部门的管理方式并不同。

  基础部的管理相对宽松,领导基本不过问任何事情,“我当时在基础部,部主任对整个部门的形容就是‘Fluid’,即科学家要像流体一样自由:喝咖啡、闲聊、头脑风暴等,基础部是出思想的地方。” 时东陆说。他曾受聘于阿贡材料科学部主持美国能源部高温超导项目。但是,工程部的管理则有较大差别,因为工程部担负能源部的大项目,必须按时完成,如果不能完成,项目就会被砍掉,研究人员会被解雇。所以,工程部的管理更偏用工业界方式,并且项目资金从能源部下来后直接由部主任或项目组长管理,他们的权力也相对较大。

  阿贡的经费完全由美国国会提案批准,“能源部雇佣各类科学家向国会游说科学的重要性,使得国会能批准经费用以支持科学研究,一旦经费获批,阿贡也必须每年向能源部提交科学研究项目汇报。”时东陆说。这也决定了阿贡具有政府导向性,受美国国家需求的制约,阿贡的主体任务是为国家服务。

  除了科学的管理模式,阿贡保证其日常研究工作顺利进行的另一法宝就是坚持安全重于一切。

安全至上

  阿贡信奉安全至上的理念,实验室所有行动都遵循在实验室任何一个角落都要保证雇员、参观者、顾客和研究合作者们安全的原则。“没有任何一项工作会比安全更重要。”

  事实上,美国的安全规范在工业界最为严格,国家实验室其次,最后是大学。美国之所以对于安全性如此重视,首先是责任问题,由于在美国,工作事故的法律责任十分重大,对相关机构的声誉影响巨大,造成的人员和财产损失也难以估量,因此,美国产业界和科学界一直坚持安全责任重于泰山。

  而且由于美国工业界和国家实验室经费较充足,可以花费巨资制定严格的安全规范。另外,安全观念已经深入到阿贡每一个人。

  时东陆回忆,自己上世纪80年代末期在阿贡时,阿贡便花费几百万美元打造其安全体系。他至今还清楚地记得他的部主任每天都会在实验室检查,看到有旧式台灯就亲自把台灯丢掉,以免成为安全隐患。如果哪个实验室出事,必须关闭进行整顿。

  即使在阿贡园区内,各个部门之间的管理也十分严格。上海金融学院应用数学系副教授沈春根对此可谓记忆犹新,2009年他到阿贡数学与计算机科学部(MCS)访问学习。

  “实验室园区内一幢幢楼并不高,到处是实验管道和高压线,看上去还有些阴森,但是安全措施很到位,事故发生概率很低。”沈春根说,“而且,每个部门都设有门禁卡,即使是阿贡内部的人员也不能随意出入不同的部门。”