美国能源部国家实验室与技术中心是指在美国能源部监管之下的一系列研究设施和实验室系统，目的是促进科学的研究和技术的进步，进而推动完成美国能源部的使命。 建立一个集中的国家实验室系统的想法缘于美国第二次世界大战中对科学新技术如：雷达、计算机、近炸引信和原子弹等新技术的迅猛发展需求。
美国的国家实验室系统是世界上最大的科研系统之一，集中的资金和智力资源使得美国的这些国家实验室成为了大科学研究的典范。国家实验室在军事、学术、产业所构成的“铁三角”中扮演着极为重要且影响深远的角色。
1942年12月2日，在恩里科·费米的领导下，世界上第一个可控核反应堆在芝加哥大学冶金实验室建成（芝加哥1号堆，Chicago Pile-1），研究的成功最后促成了阿贡国家实验室的建立。 1942年，随着曼哈顿计划的开始实施,美国面对这个史无前例的的复杂科学研究工程，开始全面协调整合全国的的科研机构： 1943年春，洛斯阿拉莫斯国家实验室在新墨西哥州成立，代号“Y计划（Project Y）”，由伯克利加州大学负责运行、设计研发原子弹，伯克利教授罗伯特·奥本海默作为实验室首任主任。 1943年，橡树岭国家实验室在田纳西州成立，“克林顿工程师工程”启动、由芝加哥大学负责运行，早期主要利用欧内斯特·劳伦斯发明的电磁同位素分离法来提纯核燃料铀-235，项目代号为“Y-12”。
这些实验室在战后，逐渐划归美国能源部管辖，成为美国国家科研系统的核心，也成为了美国基础科学研究的重要力量。
截止2017年，美国能源部共下辖17个国家实验室：
- 国家能源技术实验室
- 位于宾夕法尼亚州的匹兹堡，成立于1910年 国家能源技术实验室(National Energy Technology Laboratory)缩写为：NETL；属于美国能源部的国家实验室之一。主要是以研究科学、技术与能源为主;NETL开发的技术主要是以不影响自然环境的前提下，生产开采出可靠的矿物燃料。解决这些问题并生产出环保、干净的能源对于国家经济的成长是极为重要的。NETL是美国唯一一所针对矿物燃料技术的国家实验室。
劳伦斯伯克利国家实验室
- 位于加利福尼亚州的伯克利，成立于1931年
劳伦斯伯克利国家实验室，它坐落在加州大学伯克利分校的中心校园内，位于伯克利山的山顶；从事非绝密级的科学性研究。该实验室现由美国能源部委托加州大学伯克利分校代为管理。
洛斯阿拉莫斯国家实验室
- 位于新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯，成立于1943年
洛斯阿拉莫斯国家实验室（英语：Los Alamos National Laboratory；前称“Y计划”、洛斯阿拉莫斯实验室、洛斯阿拉莫斯科学实验室），简称LANL，是美国承担核子武器设计工作的两个国家实验室之一，另一个是劳伦斯利弗莫尔国家实验室。 洛斯阿拉莫斯国家实验室建立于1943年曼哈顿计划期间，最初负责原子弹的制造、由伯克利加州大学负责管理，首任主任是“原子弹之父”罗伯特·奥本海默
橡树岭国家实验室
- 位于田纳西州的橡树岭，成立于1943年 橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory - 缩写为ORNL）是美国能源部所属的一个大型国家实验室，位于田纳西州橡树岭。此实验室成立于1943年，最初是作为曼哈顿计划的一部分，以生产和分离铀和钚为主要目的建造的，原称克林顿实验室。2000年4月以后由田纳西大学和Battelle纪念研究所共同管理。
橡树岭国家实验室,也拥有美国最强大的超级计算机：Summit
阿贡国家实验室
- 位于伊利诺伊州的杜佩奇县，成立于1946年
埃姆斯实验室
- 位于爱荷华州的埃姆斯，成立于1947年
埃姆斯实验室（英语：Ames Laboratory），美国能源部下属的国家实验室，位于艾奥瓦州的埃姆斯，附属于爱荷华州立大学。实验室致力于新材料的设计、合成与制备；材料的表征；计算化学；凝聚体物理学理论等方面的研究。实验室位于爱荷华州立大学的校园内。
布鲁克黑文国家实验室
- 位于阿普顿,纽约州，成立于1947年
桑迪亚国家实验室
-位于新墨西哥州的阿尔伯克基和加利福尼亚州的利弗莫尔，成立于1948年 桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories，SNL），现由桑迪亚国家技术和工程解决方案（霍尼韦尔所有的一个子公司）管理和运营，是美国国家核安全局（National Nuclear Security Administration）下属的三个研究发展实验室之一。
实验室的主要目标是核武器非核部分的发展测试。主实验室位于新墨西哥州的阿布奎基的科特兰空军基地，另一个位于加州的利弗莫尔，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室的旁边。 世界上最大的X射线发生器——Z脉冲功率设施（Z机）也位于桑迪亚国家实验室。Z机被用于极端温度与压强之下的材料测试；收集的数据可用于辅助核武器研发的计算机模拟。
爱达荷国家实验室
- 位于爱达荷州的阿科和爱达荷福尔斯的交界处，成立于1949年
普林斯顿等离子体物理实验室
- 位于新泽西州的普林斯顿，成立于1951年
普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）是一个研究等离子体物理学与核聚变的美国能源部国家实验室。实验室主要的工作是研究聚变能作为能源的发展和应用。
劳伦斯利弗摩尔国家实验室
- 位于加利福尼亚州的利弗莫尔，成立于1952年 劳伦斯利弗莫尔国家实验室（英语：Lawrence Livermore National Laboratory，缩写：LLNL）为美国能源部所属的国家研究机构，位于加利福尼亚州利弗莫尔。该实验室1952年由伯克利加州大学建立，原为劳伦斯伯克利国家实验室的分支实验室，1971年成为独立实验室、归加州大学管辖。 劳伦斯利弗莫尔国家实验室与洛斯阿拉莫斯国家实验室是美国的两个为了核武器设计而建立的国家实验室。
萨凡纳河国家实验室
- 位于南卡罗来纳州的艾肯，成立于1952年 萨凡纳河国家实验室的研究方向包括环境整治、氢经济技术、危险物质处理和防止核武器扩散的技术。在冷战期间，实验室在支援氚和钚的生产中积累了一系列将核废料玻璃化和氢气储存的特殊经验。
SLAC国家加速器实验室
- 位于加利福尼亚州的门洛帕克，成立于1962年 SLAC国家加速器实验室（英文：SLAC National Accelerator Laboratory），原名斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center），是美国能源部所属的国家实验室，在能源部的方案下由斯坦福大学指挥运作。 实验室的主要研究方向有运用电子束进行基本粒子物理的实验及理论研究、原子物理、固态物理、使用同步辐射光源的化学、生物以及医学研究。
西北太平洋国家实验室
- 位于华盛顿州的里奇兰，成立于1965年 西北太平洋国家实验室（英语：Pacific Northwest National Laboratory ，简称：PNNL），创建于1965年，位于美国华盛顿州东部哥伦比亚河和亚基马河交界的沙漠地带，在第二次世界大战“曼哈顿工程”里生产美国原子弹核材料的汉福德基地（Hanford Site）的基础上建成。PNNL最初的任务是接管曼哈顿计划遗留设施及核废弃物处理及其相关研究，20世纪80年代末开始从事整个基础科学研究.
费米国立加速器实验室
- 位于伊利诺伊州的巴达维亚，成立于1967年 费米国立加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，缩写为Fermilab或FNAL），简称费米实验室，是隶属于美国能源部的一所国家实验室，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。 费米实验室是美国最重要的物理研究机构之一，其主要探索领域为高能物理学，拥有世界上第二高能量的粒子加速器，仅次于欧洲核子研究组织的大型强子对撞机。此外，费米实验室在微中子的探索方面亦有卓越的成就
国家可再生能源实验室
- 位于科罗拉多州的戈尔登，成立于1977年 国家可再生能源实验室（英语：National Renewable Energy Laboratory简称NREL），位于美国科罗拉多州戈尔登，是专门从事可再生能源和能源效率的研究和开发的机构。 NREL还国家光伏中心之下开展太阳能光电 (PV)的研究。 因此NREL在光伏发电领域具有不小的研究实力，包括研究、开发、测试和部署。 NREL的研究基地内有多个设施专门用于光伏研究。
托马斯·杰斐逊国家加速器装置
- 位于弗吉尼亚州的纽波特纽斯，成立于1984年 托马斯·杰斐逊国家加速器装置（英语：TJNAF, Thomas Jefferson National Accelerator Facility），常被称作“杰斐逊实验室”或者“JLab”，是一个位于弗吉尼亚州纽波特纽斯（Newport News）的美国能源部国家实验室。自2006年6月1日起，杰斐逊实验室由东南部大学研究协会和 PAE 应用技术（PAE Applied Technologies）共同创建的杰斐逊科学协会有限公司（Jefferson Science Associates, LLC）运营。杰斐逊实验室在1996年之前曾被称作“连续电子束加速器设施（Continuous Electron Beam Accelerator Facility，CEBAF）
美国能源部在国家实验室投入的资金占美国国内对物理、化学、材料科学以及物理科学的其他领域研究的总投资的40%以上。一些国家实验室是由私营企业管理的，也有由研究型大学运营的实验室。这种理念在一定程度上，可以很好的把研究方向与产业应用相结合，成为了美国科研系统最重要的一环。
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