美国能源部投入4亿美元支持能源科学前沿研究

  近日,美国能源部(DOE)宣布投入4亿美元基础研究经费,以支持DOE清洁能源、经济发展和国家安全目标。该项资金将推进DOE科学办公室在基础能源科学、生物和环境研究、核物理等方面的科学研究。具体包括:

  

  一、先进科学计算研究

  

  先进科学计算研究(ASCR)的任务是推动应用数学和计算机科学的发展;与学科科学合作,提供最复杂的计算科学应用;提升先进的网络和计算能力;与包括美国工业界在内的研究界合作开发用于科学和工程的下一代计算硬件和软件工具。优先研究事项包括:①开发数学模型、方法和算法,以准确描述和预测涉及跨越不同时间和/或空间尺度过程的复杂系统的行为;②完成超大规模计算系统的设计和开发及其在科研上的高效使用;③将大量来自实验和模拟的数据转化为科研成果;④开发和提供最前沿的计算、网络和协作工具与设施。

  

  涉及交叉研究领域包括应用数学、计算机科学、先进计算技术。

  

  二、基础能源科学

  

  基础能源科学(BES)的任务是支持基础研究,以了解、预测并最终在电子、原子和分子水平调控物质和能量。优先研究事项包括:①清洁能源的基础科学:通过研究加深对清洁能源的认知和科学基础,包括电能和热能储存、直接空气碳捕集;氢气的生产、储存和使用;太阳能转化为电能和燃料;地下科学。②关键材料/矿物:通过研究了解稀土和铂族元素的基本特性,以改进分离和提取过程,设计开发关键材料的替代品。③制造领域基础科学:通过研究了解可循环、清洁和可扩展的合成、加工和制造的基础化学和材料工艺;推进表征与多尺度模型和工具开发;在设计材料、工艺和产品的时候同时考虑功能和用途。④人工智能和机器学习(AI/ML):通过研究推进数据科学和AI/ML的方法及应用以加速基础研究。⑤量子信息科学(QIS):通过研究推动对可用于量子信息科学系统中的量子现象的理解,同时推动量子计算在化学和材料科学研究中的应用。

  

  涉及交叉研究领域包括材料化学、生物分子材料、合成与加工科学、凝聚态物理、材料的物理行为、机械行为与辐射效应、X射线散射、中子散射、电子和扫描探针显微镜、光学科学、气相物理化学、计算与理论化学、界面分子科学、催化科学、分离科学、地球科学、光合作用系统、物理生物科学、加速器和探测器研究。

  

  三、生物和环境研究

  

  生物与环境研究(BER)的任务是支持革命性科学和科学用户设施,以实现对清洁能源和气候创新的复杂生物、地球和环境系统的预测性理解。

  

  涉及交叉研究领域包括生物系统科学、地球与环境系统科学。

  

  四、聚变能源科学

  

  聚变能源科学(FES)的任务是增加对极高温度和密度物质的基本理解,并建立开发聚变能源所需的科学基础。这是通过对等离子体、物质的第四态以及它如何与周围环境相互作用展开研究来实现的。优先研究事项包括:①解决聚变试验工厂(FPP)设计所需的科学和技术。②支持专注于基础和低温等离子体科学(应用于微电子学)和实验室高能量密度等离子体前沿研究的等离子体科学。③投资于包括人工智能和机器学习(AI/ML)、改变先进制造业的基础科学和量子信息科学(QIS)在内的转型技术。

  

  涉及交叉研究领域包括燃烧等离子体科学、先进托卡马克、球形托卡马克、长脉冲托卡马克、长脉冲材料、等离子体科学与技术、基础理论与模拟。

  

  五、高能物理

  

  高能物理(HEP)的任务通过发现物质和能量的基本成分,探索它们之间的相互作用,以及探索空间和时间的基本性质,理解宇宙在最基本层面上的内在运行。重点关注三个实验科学前沿:①能量前沿:使用强大的加速器创造新粒子,揭示它们的相互作用,并研究基本力。②强度前沿:利用强粒子束和高灵敏度探测器寻找替代路径,通过研究自然界中很少发生的事件来研究基本力和粒子相互作用,并提供这些现象的精确测量。③宇宙前沿:通过非加速器实验观察宇宙并探测宇宙粒子,对自然现象进行测量,可以提供关于宇宙加速本质的信息,包括暗能量和宇宙微波背景;寻找暗物质粒子;研究物质和能量对宇宙的影响。

  

  涉及交叉研究领域包括理论粒子物理学、高能物理理论研究、高能物理计算研究、加速器科学和技术的研究和开发、探测器研发、高能物理研究的量子信息科学。

  

  六、核物理

  

  核物理(NP)的任务是探索宇宙中一个永恒的谜团,即物质的本质:它的基本成分以及它们如何相互作用形成元素和观察到的特性。尽管目前已经可以很好地理解构成核物质的基本粒子夸克和胶子,但它们是如何相互作用和结合形成今天宇宙中所观察到的不同类型的物质,以及在宇宙演化过程中是如何形成的,在很大程度上仍然是未知。优先研究事项包括:①探索质子的质量和自旋是如何在质子内部动态产生;②探索夸克和胶子的约束机制;③探寻新的奇异粒子和自然对称性破缺机制;④了解核子(质子和中子)如何结合形成原子核,以及自然界中核存在的极限;⑤自宇宙起源以来,重核是如何出现的,它们是如何在宇宙中形成的;⑥研究多体系统中强大力量的本质;⑦建立空间、能源和研究的高级核数据;⑧寻找未发现的核物质形式;⑨设计、建设和运行国家科学用户设施,开发新型探测器和加速器仪器。

  

  涉及交叉研究领域包括中能核物理学、重离子核物理学、核结构与核天体物理学、核数据管理、核物理学计算、核物理加速器研发、量子信息科学。

  

  七、同位素研发和生产

  

  同位素研发和生产的任务包括:①生产或分配美国供应短缺或无法获得的稳定同位素和放射性同位素,以及提供相关的同位素服务;②保持特别研究团体对制造同位素所需的关键国家基础设施和核心能力的准备状态,并确保国家做好准备,应对国家紧急情况期间供应链的缺口;③发展变革性同位素生产、分离和富集技术;④培养独特的、具有世界领先核心竞争力的多元化、包容性的国内研究队伍;⑤减少美国对外国同位素供应的依赖,构建强大的弹性供应链。

  

  涉及交叉研究领域包括同位素生产研究、同位素加工、提纯、分离和放射化学合成、生物示踪和成像、同位素浓缩技术、核与放射化学、核物理、加速器和反应堆科学、材料科学和工程、分离科学、核数据等。

  

  八、加速器研发和生产

  

  加速器研发和生产(ARDAP)的任务是帮助协调科学加速器研发办公室,推动与DOE、其他联邦机构和美国工业相关的加速器科学技术发展,促进加速器技术的发展和应用,支持和发展一支技术熟练、多元化和包容性的劳动力队伍,并提供加速器设计和工程资源。优先研究事项包括:①开发超导加速器系统:射频加速器和高磁场磁体,包括超导材料、工程和低温技术的研究。②进行束物理和高保真计算机建模,以及先进的诊断和控制系统,包括理论和模拟,以精确建模下一代粒子加速器;能更好地诊断较复杂和自动化的控制系统;发展粒子对撞机束物理学,包括先进冷却技术等。③开发更高亮度和更大电流的电子源、高强度的质子和离子源和更强大的兆瓦级目标,用于二次光束生产。④开发高平均功率射频和超快激光源,包括功率处理设备的改进,如用于射频系统的波导窗和耦合器,以及用于激光系统的高功率光学和涂层。⑤进行加速器科学技术的高风险高回报进展研究,包括新粒子源、先进束流动力学、新加速技术和下一代材料。(贾启慧 李仕钰 汤匀)

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