大科學設施提升四川創新競爭力重點領域研究

白云翔 李澤霞

一、大科學設施發展概況

大科學設施是用于基礎研究和應用基礎研究的大型科研裝置或設施。大科學設施最為典型的案例是美國的“曼哈頓計劃”，除此之外美國基于國家戰略目標還建設了一批大科學設施，從而鑄就了美國全球科技強國的基礎地位〔1〕。隨著科學研究活動從分散和孤立的小范圍協作逐漸走向整體性、系統性和集成性較強的大規模行為，大科學設施的概念和涵蓋范圍也不斷得到擴展。涵蓋范圍從高能物理、核物理和天文學等有限領域逐步擴展到幾乎全部自然科學領域〔2〕。

科技發達國家大多都把重大科技基礎設施規劃建設放在很重要的位置，投入運行的設施數量近年來呈穩步增長的態勢。美國、德國、法國和英國幾個主要發達國家在2010—2020年運行設施數量占歷史累積設施總量的比例達到65.2%，同期，我國運行設施的數量占歷史累積設施總量的40%〔3〕。1991—2020年，上述幾個主要發達國家大科學設施運行數量年均增長率為6.4%，中國為3.9%，可以看出我國大科學設施建設速度低于主要發達國家。

改革開放后，國家更加重視科技事業的發展，促進了我國大科學設施的快速發展。1980年代是我國大科學設施第一個高速發展期，一批具有重大影響的科學設施相繼建成，除了北京正負電子對撞機(1)系我國首個國家重大科技基礎設施，于1984年開始建設，1988年建成。北京正負電子對撞機的成功建設運行使中國高能物理實驗研究走在國際前列，有力帶動了我國大科學設施建設的飛躍發展。之外，還有蘭州重離子研究裝置、中國環流器一號(HL-1)等。黨的十八大后，我國制定發布了《國家重大科技基礎設施中長期規劃(2012—2030年)》，首次在國家戰略層面形成了大科學設施發展的中長期路線圖，推動大科學設施建設進入高速發展期，建成了一批世界領先的重大設施，例如上海光源、散裂中子源等。

目前由國家發改委批復建設的國家重大科技基礎設施共有49個(含5個分布式大科學實施)，建成運行的25個。從區域布局來看相對均衡，在地域分布上呈現出相對集中的特點，其中北京有13個，上海和四川各有6個(詳見表1)。

表1 中國大科學設施地區分布

從全球范圍看，主要發達國家的設施布局已經相對完善，設施的科研支撐能力要優于我國(詳見表2)。與主要發達國家的設施數量相比，我國近年來的布局速度較快，在建設施占設施總量的49%，未來5年也將是我國重大科技基礎設施建設部署的高峰期，也是大科學設施戰略布局的重要機遇期。

表2 主要發達國家及我國大科學設施數量及在建設施情況

二、大科學設施在創新體系中的重要意義

作為重要的創新基礎設施，大科學設施是國家創新體系的重要組成部分，承載著科技創新的“國家使命”，能夠為國家重大原始創新和重大科技成果產出、創新資源集聚、核心關鍵技術突破、高技術產業和戰略性新興產業發展提供創新的基礎條件〔4〕。同時，大科學設施也是實施創新驅動發展戰略的重要抓手，是綜合性國家科學中心建設的“硬指標”。依托大科學設施，還有利于形成功能完備、相互銜接的科技創新中心〔5〕，提升區域創新全鏈條支撐能力。

1.催生重大科學發現，支撐多學科研究發展

現代科學進步離不開大科學設施。1931年，美國物理學家歐內斯特·勞倫斯通過磁共振原理建成了回旋加速器。在此后的60年間，基于大科學設施獲得諾貝爾物理學獎的學者多達21個。20世紀中葉以來，在物質結構方面的重大突破幾乎都與大科學設施有關，要在這些領域取得世界級的研究成果，必須發展一流的科學設施，為原始創新提供研究手段。大科學設施支撐跨領域、交叉學科研究，為相關研究提供了新的手段和產生突破的基本實驗條件。北京同步輻射裝置(BSRF)、合肥國家同步輻射實驗室(HLS)、上海光源(SSRF)是目前正在運行的三個同步輻射類公共實驗平臺。2003年暴發的SARS-CoV冠狀病毒，2019年暴發的2019-nCoV冠狀病毒，都是依托同步輻射光源得到了蛋白酶結構的解析，為抗病毒藥物研制提供了必要的基礎數據。2018年建成的中國散裂中子源，在不到一年的運行中，就圍繞國際科技前沿和國家重大需求，完成用戶課題101個，涵蓋新型鋰離子電池材料結構、斯格明子的拓撲磁性、自旋霍爾磁性薄膜等基礎研究方向，同時開展航空材料、可燃冰、頁巖等應用研究，取得了多項重要成果〔6〕。

2.吸引造就一流人才團隊

大科學設施具有強大的人才集聚能力、人才承載能力和人才造就能力，高端科技人才和稀缺人才也可依托一流的設施開展研究，取得出色的成果〔7〕?？v觀近代科技發展史，世界科學中心每一次地理空間上的轉移，都是頂尖科學家和優秀青年科技人才的重新聚集，大科學設施在全球的布局影響著世界優秀人才的分布，其建設運行過程會吸引和造就一批世界頂級科學家和工程師。正是他們卓越的開創性研究和突破性成果，主導了全球科技創新浪潮。為了實現科技領先，世界科技強國都建立了具有全球視野、能夠吸引并充分發揮人才作用的人力資源體系，通過大科學設施“筑巢引鳳”也是各國吸引和培育人才的重要策略之一。如大型強子對撞機(LHC)所在的歐洲核子中心(CERN)合作成員國有70多個，擁有大約2500名員工，吸引來自110個國家大約12200位科學家和工程師在此開展合作研究〔8〕，密集的思想碰撞和技術交換，讓CERN成為全球的學術前沿陣地和創新熱點。

3.推動國家技術創新和產業升級

美國學者埃茨科維茲在分析硅谷等產業創新集群的基礎上，提出創新發展“三螺旋”理論，強調創新體系建設的重點應放在以科研院所為代表的知識生產機構、產業部門、政府等創新主體上，進而形成相互影響的三螺旋關系〔9〕。重大科技基礎設施是三螺旋關系中的重要環節，設施的高指標和超前性是技術創新與產業升級的重要動力。每一個大科學設施都是性能卓越的研究工具，為了保持設施的先進性，其建造的技術工藝指標都高于上一代的同類設施，這就要求發展更高的技術和工藝。這些前所未有的“指標”都要通過相關裝備制造行業來實現，參與建設的企業需要不斷地開展技術創新才能達到這一目標，通過這些設施的建設，還有利于科研院所和企業形成良好的產學研創新互動。如高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)、江門中微子實驗(JUNO)為實現其核心探測器件的國產化，聯合北方夜視等國內相關企業和研究所，突破了大面積真空光電探測技術瓶頸，成功實現了新型光電倍增管的批量生產，打破國際壟斷，是科技創新引領產業創新的典型案例〔10〕。

4.設施的溢出效應，帶動區域經濟社會發展

依托大科學設施產生的科學發現和技術發明是設施最直接的成果，這些技術成果會首先在設施所在地進行應用轉化，設施是知識溢出、技術溢出的源頭，溢出效應給設施所在地區、國家帶來廣泛而深刻的影響。在設施所在地，尤其是有多個科學設施集聚的地區，由于科學成果的不斷產生，大量的專利、新技術發明和新興產業出現，以及來自世界各地優秀研究人員的聚集，有利于地方經濟、社會和科技事業快速發展〔11〕〔12〕。大科學設施還是高技術的綜合體，獨特的創新活力和溢出效應有利于推動技術創新中心的形成，直接或間接衍生出相應的高技術產業，形成新的業態，促進設施所在區域經濟發展。如位于廣東東莞的中國散裂中子源在建成不到一年后，就聯合醫療企業在散裂中子源園區建設國內首臺基于加速器的硼中子俘獲治療設施，開展物理測量實驗、摻硼藥物細胞實驗以及動物試驗，并將開展臨床治療，發展商業化硼中子俘獲治療產業。為促進大科學設施與產業界的聯系，實現更多技術創新，有些大科學設施還設立了產業用戶咨詢委員會，加強學術界與產業界的知識交換與合作，推動產業經濟創新發展。

5.支撐綜合性國家科學中心建設

大科學設施集群布局是綜合性國家科學中心發展的首要基礎條件，設施的集群化建設有利于推動科技進步，為產業技術升級改造和社會經濟重大問題的解決提供重要技術平臺。目前，國家層面規劃布局的大科學設施在綜合性國家科學中心已經形成了初步聚集的態勢，分別為上海張江、安徽合肥、北京懷柔、深圳大灣區〔13〕。北京憑借首都創新資源的綜合優勢，在懷柔聚焦物質科學、空間科學、大氣環境科學和地球科學等前沿科學領域，布局多個具有國際領先水平的大科學設施，包括高能同步輻射光源、多模態跨尺度生物醫學成像設施、綜合極端條件實驗裝置、地球系統數值模擬裝置等，為建設世界一流的研究平臺提供了強力支撐，同時培養和引進一批高端科技人才，極大地提升了北京區域性創新能力。大科學設施的建設與區域科技創新發展互相促進，相互成就，設施的集聚發展強有力地支撐了綜合性國家科學中心的發展〔14〕。

三、四川省大科學設施建設的要素環境分析

近年來四川省深入實施創新驅動發展戰略，提升創新資源集聚和轉化能力，積極部署開展全面創新改革，打造大科學設施等創新平臺集群，建設中國西部(成都)科學城，推進綜合性國家科學中心建設。大科學設施并不是孤立建設發展的，需要一定的創新要素基礎，其發展程度與所在區域的創新主體、創新基礎設施、創新資源、創新環境、外界互動等要素是密不可分的，四川相對于周邊省份具有獨特優勢和基礎〔15〕。

1.四川位于國家戰略腹地，大科學設施建設戰略區位優勢明顯

2021年10月，《成渝地區雙城經濟圈建設規劃綱要》正式公布，從“頂層設計”角度明確提出把成都建設成為具有全國影響力的科技創新中心〔16〕。從國家層面來看，建設科技創新中心是落實國家創新驅動發展戰略，提升國家綜合科技實力，應對新一輪科技革命的重點舉措。建設科技創新中心，有利于加強成渝地區協同發展，吸引和集聚一批有全球影響力的科技人才，充分發揮成渝地區科技創新優勢，打造引領中西部發展的創新高地〔17〕〔18〕。四川省在核科學、航空航天、天文和空間科學、生物醫藥、電子信息等領域，擁有豐富的科技創新資源和雄厚的科研實力，擁有較為完整的產業體系和企業梯隊。四川省現代產業體系建設與發展，都可服務于國家科技創新中心建設。

2.以高校院所為主的創新主體數量大，潛在科學設施用戶需求迫切

國際上知名高?？蒲谢顒雍涂茖W產出離不開大科學設施的運行。四川擁有高等院校134所，科研院所297家，建成各類創新平臺1977個，其中國家級創新平臺197個。2020年，四川高等院校全時當量研發人員達到27127人年，位居全國第六，這些科研力量都需要大科學設施作為支撐，是潛在的設施用戶。四川與其毗鄰的周邊省份比較，高等院校數量、科研機構數量和R&D研發人員數都位列第一〔19〕。除陜西與四川的差距較小外，四川與其他省份相比比較優勢明顯。此外，四川還擁有9個國家級、15個省級雙創示范基地，四川也是軍工大省，國防科研隊伍龐大，具有很強的科教綜合承載力。然而四川省大科學設施的支撐能力，尤其是公共實驗平臺的支撐能力遠不能滿足四川省基礎科學研究和應用技術研究的需要，不能適應高端人才的培養以及相關產業升級轉型的需要。

3.區域產業創新發展勢頭良好，需要大科學設施支撐

四川加快構建“5+1”現代工業體系，在電子信息、裝備制造、醫藥健康等主導產業均具有較大規模和發展優勢，在集成電路、新型顯示、新一代信息技術、汽車制造等行業具有優勢。2019年，四川省登記注冊的高新技術企業有1422個，有R&D活動的高技術企業754個，位居全國第七，與位居第六的安徽省(1466個)差距很小(2)數據來源：《中國高技術產業統計年鑒2020》。。四川規模以上企業中有研發機構的企業數和有R&D研發活動的企業數都位居西部地區首位，這些企業的創新活動必然要依托于先進的研發平臺，相關產業的升級換代也依賴于高水平的公共實驗平臺。四川依托天府新區建設綜合性國家科學中心，也需要以大科學設施建設為抓手，聯合中國科學院和國內一流高校院所，與高新技術企業形成產學研良性互動，增強相關產業的創新能力。

從四川的設施分布、科技基礎水平、科技人員數量及產業狀況分析可以看出，目前四川已經在這幾方面顯現出比較優勢?？萍蓟A條件是國家創新體系中重要的要素之一，科技發展、人才聚集必然對大科學設施這樣的科技基礎條件提出更迫切需求，因此仍要在高水平的科技創新平臺和大科學設施方面進一步分析細化需求，在國家重大科技基礎設施建設方面進一步優化布局、加大投入、補齊短板〔20〕。

四、四川省大科學設施建設的優勢及不足

四川擁有為數不少的大科學設施創新基礎平臺，擁有亞洲最大的航空風洞群，建有全國唯一的航空發動機高空試驗臺，解決“千年能源”問題的中國環流器二號M裝置建成并實現首次放電，高海拔宇宙線觀測站建成并發現最高能量光子，擁有自主知識產權的“華龍一號”走出國門，標志著我國在三代核電技術領域已躋身世界前列，F級50兆瓦重型燃氣輪機滿負荷運行，實現能源裝備制造“卡脖子”關鍵核心技術突破等。從區域創新競爭力來看，四川的大科學設施有基礎、有特點，然而和現有的其他科創中心設施發展水平相比較還存在差距。

1.運行和在建大科學設施

2021年6月22日，四川省發布《關于進一步支持科技創新的若干政策》，加大力度建設包括大科學設施、科教基礎設施在內的各類創新平臺。在積極爭取國家規劃同時，四川省立足本省創新發展需求，自主布置了多個科學設施，比如挑戰最高試驗速度達1500km/h的軌道交通系統綜合試驗裝置多態耦合軌道交通動模試驗平臺、開發新型光學成像系統的柔性基底微納結構成像系統研究裝置等，對四川省的科技創新起到了強有力的支撐作用。目前，四川省運行、在建的國家重大科技基礎設施6個(詳見表3)。大科學設施領域涵蓋能源科學、空間和天文科學、粒子物理和核物理、生命科學、工程技術科學等。

表3 四川已投入運行和在建的國家重大科技基礎設施

2.四川在核科學、天文與空間科學、先進光學領域有不可替代的優勢

四川在核科學及核能研究方面有豐厚的技術積累和人才優勢。四川匯聚了多個國內核能研究單位，如被譽為“中國核動力工程的搖籃”的中國核動力研究設計院、我國最早從事核聚變能開發專業研究的核工業西南物理研究院，以及中國工程物理研究院。它們還參與設計了中國首座自主品牌改進型壓水堆核電技術CPR1000核電機組、建成我國核聚變發展史上第一個磁約束聚變研究裝置中國環流器一號(HL-1)裝置、助力“兩彈”的成功研制等，為我國核科學技術發展奠定了堅實的科學與工程技術基礎。四川在核科學領域還有人才優勢，僅中國工程物理研究院就有超過20名兩院院士，約23000名在職職工。

四川省稻城縣的地理條件和現有科學設施基礎在國際天文、空間科學領域具有獨一無二的優勢。稻城縣是我國科學家歷經數十年考察科學論證發現的優秀天文臺站選址地，經長期監測，稻城白天視寧度、晴日數、積分大氣水汽含量和射電環境指標都非常優秀，適合天文學、空間科學高質量觀測要求。目前，稻城縣已落地建設了高海拔宇宙線觀測站、空間環境地基綜合監測網(子午工程二期)圓環陣太陽風射電成像望遠鏡，相關領域還有多個設施計劃落地稻城。

川渝兩地在光學和光子學領域具有比較優勢。近年來中科院光電所、四川大學等在亞波長光學和納米光子學領域開展了大量研究，并取得了系列原創性成果，成為我國這一領域的重要發展極，與東部沿?？苿撝行囊坏?，奠定了中國新一代光學和光子學發展的重要基礎。推動綜合性國家科學中心建設也將為推進新一代光子科學發展提供新的重大機遇，在成都天府新區建立“西部光子城”具備基礎條件。

四川省的基礎研究在上述三個領域有明顯的比較優勢，如能在科學設施的規劃建設上，優先考慮這些優勢領域，短時間內可在國際上率先形成領先態勢，讓四川省成為我國內陸地區獨具特色的科技創新高地。

3.與其他科創中心大科學設施發展存在的差距

公共實驗平臺是四川省大科學設施建設的短板。除了風洞之外，四川省現有的其他設施均為具有特定科學目標的專用研究設施，僅覆蓋某一基礎研究領域。相比專用研究設施，公共實驗平臺是支撐跨領域、交叉學科研究活動的綜合性創新平臺，這一類設施為相關學科領域的應用研究或工程技術研究提供了新的手段和產生突破的基礎實驗條件，可以為眾多的產業形成強有力支撐。北京懷柔的高能同步輻射光源(HEPS)，位于張江的上海光源(SSRF)，位于合肥高新區的合肥先進光源(HALS)，位于東莞的中國散裂中子源(CSNS)，這些公共實驗平臺為所在地區的生命科學、材料科學、環境科學、地球科學、物理學、化學、信息科學等眾多學科研究提供了不可替代的先進手段和綜合研究平臺，也是微電子、制藥、新材料、生物工程、精細石油化工等先進產業技術研發的重要手段，為當地的產業創新發展提供支撐。缺少面向廣泛用戶的公共實驗平臺是四川省大科學設施支撐區域科技創新、產業創新發展最為被動的問題之一。

大科學設施集聚程度不夠。大科學設施高度集聚是綜合性國家科學中心的顯著特征。目前國家在四川省域范圍內布局的設施數量達到9個(包括“十四五”規劃中擬在四川落地的3個設施)，設施數量僅次于北京、上海，位居全國前列，但沒有在某個中心城市形成明顯集聚效應，尤其是四川天府新區作為綜合性國家科學中心建設的核心區，目前僅規劃布局有2個大科學設施，即跨尺度矢量光場時空調控驗證裝置、電磁驅動聚變原型裝置。相比而言，四川天府新區與北京懷柔、上海張江、安徽合肥綜合性國家科學中心存在明顯差距。

高端領軍人才不足以長久地支撐高水平科學設施建設運行。大科學設施的建設運行需要從研發、技術、工程到管理等各類人才。四川的中科院、工程院院士有66人，僅為北京的1/12、上海的1/3、廣東的2/5；四川國家千人計劃獲得者為233人，僅為北京的1/6，上海的1/3，也滯后于廣東、江蘇等地，引進外國專家數量僅占全國的1.9%。這一人才現狀不足以持續地支撐四川省大科學設施發展。

缺少專門的科學數據中心，難以滿足大科學設施集聚發展需要。目前四川省還沒有專門服務于重大科技創新平臺的科學數據中心，現有的科學數據資源存在布局不集中，存儲量不足，難以統籌調度，缺少規范化的管理，不能實現開放共享等問題，根據對省內已經建成的高海拔宇宙線觀測站、大型低速風洞、子午工程二期、中國錦屏極深地下暗物質實驗室等多個大科學設施開展的數據服務需求調研結果表明，現有的數據資源遠不能滿足大科學設施數據服務的需求，也難以滿足未來發展的數據需求。

由設施產生的科技成果溢出效應不明顯。四川的大科學設施主要集中在軍工行業和基礎研究領域，軍工類的設施成果轉化困難，基礎研究的科學設施直接服務地方經濟發展作用不突出。如中物院技術轉移中心自2004年成立以來，僅孵化了63家公司，其中直接投資孵化院內項目13個，轉化效率較低。四川是核科學大省，但核醫療、核藥物產業卻沒有形成相應的規模經濟產出。

五、面向科技創新中心建設的大科學設施發展建議

四川曾是國家三線建設要地，國家布局有眾多戰略科技力量，大科學設施建設需要把國家戰略需求與自身科技資源優勢相結合、與產業跨越發展要求相結合，充分發揮區域創新優勢，在物質科學、光子科學、空天科學領域率先實現領先，支撐綜合性國家科學中心建設，打造具有全國影響力的科創中心。

1.建設物質科學大科學設施，發展核能研究與應用，實現“核大省”到“核強省”的跨越

一是發揮四川作為我國核工業大省核設施、研究平臺、全產業鏈、學科完備及人才齊全的優勢，布置相關大科學設施，夯實先進核裂變能、受控核聚變能、核燃料循環與材料、核安全與環境、核技術應用等關鍵理論和前沿技術研究領域的基礎，開展四代裂變反應堆特種微型堆芯和安全分析及壽命預測技術、聚變等離子體物理與材料、偏濾器技術、輻射探測與防護技術、核設施退役及三廢治理技術、先進粒子加速器技術、放射性同位素及藥品生產工藝等基礎理論和應用研究。二是面向人民健康生活需要，結合四川產業發展特點，依托前述核科學設施技術優勢，發展核醫療設備、核制藥等產業，培育核醫學成像設備等核醫療設備企業。三是開展先進裂變堆與聚變堆總體及關鍵工程技術、高效可靠燃料技術、中高放射性廢物玻璃固化技術、新型核探測器及核電子技術、先進核診斷和治療設備儀器、智能輻射檢測裝備及其他先進核儀器儀表等設計與制造相關的基礎研究。

2.建設稻城天文科學城，打造國際一流水準的天文、空間探測設施集群

基于四川稻城區位優勢，在已建成的科學觀測設施基礎上，進一步合理規劃，加大投入，形成天文觀測、空間探測的設施集群。一是重點推進2.5米大視場高分辨率望遠鏡、稻城太陽觀測站和地基月球觀測系統建設，爭取12米口徑大型光學紅外望遠鏡的落地，布置大型超高能伽馬源立體跟蹤裝置等高水平科學設施。二是圍繞稻城天文科學城的科學設施推進稻城天文特色小鎮建設，建設宇宙極端環境模擬與宇宙線數字展示場館，結合高原生態自然風光，建設稻城天文觀星基地，把稻城打造成國內外天文愛好者觀星集結地，建成以大科學設施為核心，集科學研究、科普教育、特色旅游于一體的天文科學城，持續提升四川在國際上的科技影響力，推動地方經濟社會發展〔21〕。

3.建設同步輻射光源、自由電子激光等公共實驗平臺，打造西部光子科學城

一是依托中科院光電所、四川大學、電子科技大學等高校院所在光學領域的技術優勢，以及綿陽九院在加速器技術方面的優勢，吸引國內相關領域的專家，在四川天府新區建設西部同步輻射光源、自由電子激光等先進科學設施，為相關前沿科學探索提供條件，支撐四川省材料科學、生命制藥、環境科學、電子工業、石油工業、化學化工、生物工程等產業的發展，打造西部光子科學城，開展原創性基礎研究，推動國家光子學發展邁向新的臺階。尤其是要依托光子科學城的先進研究平臺，推動四川省在新材料領域開展釩合金、鈦合金的高性能化及功能化新理論和新技術研究。依托西部光子科學城先進公共實驗平臺，推動四川省在化學化工領域發展。二是圍繞西部光子科學城，構建光學科學與技術的創新生態鏈，通過設施溢出效應，培育相關產品研發和制造企業，構造光子學領域科學研究和產業高地，帶動上下游光學材料、器件系統集成技術和軟件行業發展，形成科技創新和產業創新的良性互動。重點圍繞加強光子結構功能材料、數字光學新一代光刻技術等，攻克從設計到制造一系列高難度和高復雜度技術瓶頸，重點圍繞微納光子科學與工程、光子智能傳感網和生態大數據中心等開展系統集成和試驗驗證。

4.建設西部科學數據中心，支撐大科學設施高質量科學產出

基于四川省大科學設施的總體規劃，建設西部科學數據中心，以在川建設的大科學設施為服務主體，匯集省內其他重大科技創新平臺，促進各學科交叉融合，為各領域科學家在川開展科學研究提供高效、可靠的存儲與計算條件與平臺支持，有力推進大科學設施科學研究的技術融合、業務融合、數據融合；規范科學數據采集生產、加工整理和長期保存，確保數據質量；面向全球科學家、科研人員、工程技術人員提供標準化、可追蹤的高效數據服務，實現基礎研究以及面向用戶的多學科交叉研究和應用目標。同時利用已經投入運行的成都超算中心高性能計算力量，提高科學數據分析處理能力，促進科學數據轉化為科學發現，推動重大原創性科學成果加速涌現，最終實現“科學大腦”駐扎成都，“科學觸角”延伸到各學科領域、各高技術產業。