美国圣地亚国家实验室非核技术的发展

美国圣地亚国家实验室非核技术的发展
1前言
美国的圣地亚实验室由1945 年的洛斯·阿拉莫斯实验室的Z 分部发展成为与洛斯·阿拉莫斯实验室和劳伦斯·利弗莫尔实验室并齐的美国三大国家实验室之一。

那么圣地亚实验室在50 多年的风雨历程中是如何应对各种困难和危机来不断提升和扩大其地位和影响的呢？其中一定有许多经验和教训值得我们借鉴。

圣地亚实验室除了进行武器非核部件领域的研究以外，还开展了能源、环境、军控和先进常规武器等非武器领域的研究，使圣地亚实验室从一个不为公众所知的核事业单位发展成为影响国家能源、经济的多功能一体实验室。

2圣地亚实验室发展历程
2.1从Z分部到圣地亚公司。

圣地亚的前身是洛斯·阿拉莫斯的Z分部。

1945年，洛斯·阿拉莫斯实验室主任成立了Z分部，负责管理与核炸弹相关的工程设计、生产、组装和场地试验。

洛斯·阿拉莫斯严重缺乏房屋和公用事业（utility services），而且往返于阿尔伯克基的飞机场或Lamy火车站的材料和设备运输非常慢而昂贵。

1945年6月，经战时曼哈顿项目领导人Groves和J. Robert Oppenheimer同意把Z分部从洛斯·阿拉莫斯分离出来之后，曼哈顿工程特区派遣Robert Lockridge中校和来自洛斯·阿拉莫斯与Wendover飞机场的一些官员为场地试验和装配武器考察合适的场地，由于圣地亚离飞机场比较近而且铁路运输方便，最后选在了圣地亚。

1945年夏开始，洛斯·阿拉莫斯实验室开始把它的场地试验和工程部门（即Z分部）转移到阿尔伯克基附近的圣地亚基地。

2.2圣地亚加利福尼亚分部的成立。

1952年，AEC在加利福尼亚的利弗摩尔成立了第二个核爆设计实验室，目的是与洛斯·阿拉莫斯竞争物理包的设计。

为了支持利弗摩尔的工作，AEC指示圣地亚公司在利弗摩尔成立一个实验室。

1956年初一部分圣地亚人开始转移到
利弗摩尔，在3月8日正式成立了圣地亚加利福尼亚分部。

到1956年底，人员从成立之初的20多人迅速增长到约1000人。

2.3从圣地亚公司到圣地亚实验室。

为了把圣地亚的资源集中到研究上，圣地亚实验室主任Hornbeck终止了圣地亚的生产工程职能。

AEC和圣地亚把生产工程任务转交给承包商。

从那以后直到90年代中期的武器综合体重组，圣地亚只负责小批量任务的生产，如铁电陶瓷或微电子，因为它们的新概念研究和高可靠性要求设计与生产之间必须紧密协调。

为了反映其生产职能的结束以及向研究领域的大力发展，Hornbeck在1969年12月把圣地亚公司正式改名为圣地亚实验室。

2.4从实验室到国家实验室。

1979年12月，国会批准圣地亚实验室为圣地亚国家实验室，洛斯·阿拉莫斯和劳伦斯·利弗摩尔也是在这次大会上通过并成为国家实验室的。

圣地亚实验室在管理上采用GOCO（Government Owned Corporation Operated）模式，先后由加利福尼亚大学（1945-1949年）、美国电话与电报公司（AT&T）（1949-1993年）、马丁·玛利塔公司（1993-1995年）和洛克希德·马丁公司（1995年至今）管理。

3圣地亚非核技术的发展
3.1能源
3.1.1能源开发的动因
推动圣地亚进行能源领域开发的主要事件有：能源倡议、第一次能源危机和第二次能源危机。

能源倡议。

在1971 年修订原子能法案时，国会授权AEC 开发更有效的方式来满足国家的能源需求。

为了响应这个命令，最后一任AEC 主席Dixy Lee Ray 号召AEC 各实验室利用各自的资源来进行能源研究，他还成立了一个委员会来规划未来的国家能源政策。

为了响应AEC 的号召，圣地亚非正式地开始研究怎样把武器项目中开发出来的能力应用到能源开发中来。

在1973 年，圣地亚向AEC 提交了21个项目提案。

第一次能源危机。

1973 年底，Yom Kippur 战争在中东爆发，石油输出国组织对美国实行了石油禁运，美国出现了第一次能源危机。

这次能源危机使国家的注意力集中到能源上。

1974 年ERDA 的成立，与国家核安全计划和其它联邦能源计划一起，把圣地亚的能源研究带向高潮。

第二次能源危机。

1979 年，伊朗人在德黑兰劫持了美国驻伊朗大使及其工作人员作为人质，并停止了对美国的石油输出，第二次能源危机爆发。

圣地亚的能源研究经费大幅增加，主要用于研究太阳能和其它代用石油（利用煤和石油页岩生产合成燃料）。

值得一提的是，圣地亚并不是只要跟能源沾边就盲目地开始研究，开展的能源研究需要满足三个标准：1）项目是否能利用圣地亚在武器计划中积累的技术和人才？2）项目是否具有创新性并且开发出来的技术是否能在该项目领域处于领先地位? 3) 项目是否能真正减少美国对外国石油的依赖？
3.1.2能源开发
圣地亚实验室开展了多种能源的研究,除了太阳能研究是由于其自身的地理环境因素开展起来以外,其它种类的能源研究都直接或间接地利用了武器研究中的各种技术。

太阳能
由于圣地亚地处美国的西南，日光充足，于是圣地亚在1972年开始了日光研究。

利弗摩尔的Tom Brumleve与阿尔伯克基的Jim Banas和Bob Stormberg 发起了两项太阳能技术研究:中心式和分布式接收器。

中心式接收器是在塔顶安装一个接收器或锅炉，用日光反射装置收集到的太阳光加热它，然后用蒸汽来发电用于公用事业。

美国的第一个商用太阳能发电设施―太阳能1号从1982年运行到1989年，因为效率低，且在夜间和阴雨天无法正常工作而关闭。

到老布什（1989～1992年）时期，再生能源的研究资金增加了一倍。

有了充足的研究经费，圣地亚开始致力于把太阳能的发电成本降低到可以和传统矿物燃料发电相抗衡的水平。

圣地亚开发出的先进的太阳能2号设施在1996投入运行。

通过研究和实验，圣地亚改进了接收器和日光反射装置，降低了成本的同时提高了效率，开发出储存太阳能用于夜间的方法。

这个设施负责人称把成本降低到矿物燃料发电和核电站水平是他们追求的主要目标。

分布式接收器的设计来源于圣地亚的全太阳能概念。

1977年，圣地亚负责管理国家全太阳能计划的技术项目。

这个概念是想利用太阳能系统来满足一系列的能源需求，并尽可能减少能量浪费。

与中心式接收器相比，分布式接收器概念给每个反射表面安装了一个接收器（或者是一个发射盘，或者是一个反射槽），通过它们把太阳光会聚到接收器上。

将一个接收器可以直接连接到一个热力发动机上，或者将几个接收器产生的热量传输到单一的热力发动机上或热能用户那里。

分布式接收器的早期应用是为农业灌溉用的泵提供动力。

●风能
圣地亚的空气动力学专家们设计了垂直轴风力涡轮机（VAWT）来进行风力发电。

VAWT具有翼型叶片，不论风向如何，都可以工作。

VAWT获得了很大的成功，在加州建立了风力发电工厂，包括500多个VAWT。

后来又在多风的得克萨斯平原建立了一个大型的实验用VAWT。

●电池
光电池，也叫太阳能电池。

太阳能电池可以把光能转换成电能，主要原理是利用半导体材料，薄的ｎ型半导体置于较厚的ｐ型半导体上，当光子撞击该装置的表面时，ｐ型和ｎ型半导体的接合面有电子扩散，电流即可利用上下两端的金属导体将电流引出利用。

1954年贝尔实验室首先开发出光电池，在60年代用作VELA卫星的电源。

圣地亚的半导体科学与技术专家先后与ERDA和能源部合作，参与了国家光电池计划。

圣地亚成立了光电池小组，研究如何把成本降低到矿物燃料的成本范围。

1975年，太阳能发电成本为$3/千瓦时，而矿物燃料发电的成本只有一角。

1976年，圣地亚成立了半导体开发实验室（SDL）来生产实验性太阳能电池，但它的主要用途是用于大规模集成电路。

几个月后，这个实验室的太阳能电池的效率是11%，而商用的只有3%。

到90年代，SDL的科学人员经过不懈的努力把效率提高到了31%，并成立了设计援助中心为私人企业提供帮助。

●聚变能和脉冲功率
聚变能与其它的能源项目相比，更直接地来自圣地亚的武器计划。

为了模拟对部件和材料的武器效应，AEC的军事分部在60年代资助圣地亚建造了像SPASTIC和Hermes这样的大型设施。

圣地亚专门为聚变研究设计的加速器是ProtoⅠ（原型），于1974年开始运
行，还设计了ProtoⅡ（1977年）。

在建造EBFA（Electron Beam Fusion Accelerator）的时候，发现离子比电子更有效，因此把EBFA改建成了PEFA（Particle Beam Fusion Accelerator）。

到70年代末，圣地亚已经在世界脉冲功率领域处于领先地位，它主要从事3个方面的研究：武器效应模拟，粒子束武器（80年代应用到星球大战的定向能武器）和聚变能。

圣地亚发展脉冲功率科学主要是为了武器效应试验和ICF。

圣地亚在80年代开发了三个强大的粒子加速器：产生伽马射线的HermesⅢ、产生X射线的Saturn以及产生离子束的PBFAⅡ。

Saturn加速器并不是全新的。

当在第一个粒子束聚变加速器（PBFA）上的研究结束并开始建造PBFAⅡ的时候，圣地亚把第一个PBFA改造成了世界上最强的X射线源，因为在它的中央二极管上有同心环，所以给它改名叫Saturn。

Saturn比ProtoⅡ强大两倍，它不仅能测试武器的X射线效应，还能用来深入研究X射线激光物理。

在Saturn上做的第一次试验是测试三叉戟Ⅱ战斗部内圣地亚设计的X射线加AF&F系统。

4结束语
圣地亚实验室在成立之初，科研能力差，只承担武器方面的任务，经过50多年的发展，实验室的科研能力不断强，在许多领域处于世界领先地位，除了承担武器相关领域的研发生产任务之外，还把从研究武器中开发出来的技术扩展到能源、环境、军控、计算等许多领域，因此在国防财政预算大幅削减或遇到经济危机、能源危机时，就可以把研究武器的科研人员调配到相关非武器领域进行技术转移，这样既可以留住掌握关键技术的科研人员，避免人才流失，又可以帮助国家振兴经济或减少对外国能源的依赖。

许多武器相关技术转移到民用上时还可以反馈回武器设计上，这样形成了技术转移和反馈的相辅相长的良性循环。

这是圣地亚实验室50多年来历经各种危难时刻依然能够不断发展壮大的一个关键因素，也是值得我们借鉴的。