杭州大科学装置建设进展及思路建议

浙江大学工业技术转化研究院

超重力实验室效果图

基础研究是科技创新的供给源头。

为了有效解决“从0到1”环节的创新基础研究成果欠缺问题，科技部等五部委根据《国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见》，于2020 年1 月21 日印发了《加强“从0 到1”基础研究工作方案》。方案明确指出，北京怀柔、上海张江、合肥、深圳已建设我国综合性国家科学中心，并鼓励和支持地方政府结合自身优势和特色，制定出台加强地方基础研究和应用基础研究的政策措施，加大地方政府对基础研究的支持力度。

2020 年10 月，十九届五中全会审议通过的《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二O 三五年远景目标的建议》中提出，坚持创新在现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。这是我们党在编制五年规划建议历史上的第一次。

大科学装置是新基建的重要内容

作为综合性国家科学中心重要组成部分的“大科学装置”，是重大科技基础设施建设的重要内容，也是“新基建”（包含信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施）中创新基础设施的重点建设内容之一。

大科学装置之“大科学”一词出自1962 年6 月美国科学家、科学计量学奠基人和情报科学创始人之一普赖斯。他在《小科学、大科学》中提出，二战后，随着科学快速发展，大学实验室所从事的“小科学”研究逐渐向多学科综合应用型的“大科学”研究转变，其特征主要为研究经费投入大、学科领域交叉广、参与研究人员及机构多、实验设施条件精贵且复杂、研究目标宏大等。

关于大科学装置的定义，尚未有定论。综合学界的说法，主要指：为在科学技术前沿取得重大突破，通过较大规模投入和工程来建设，建成后需长期稳定运行和持续开展科学技术活动，以实现重要科学技术和公益服务目标的国家大型基础设施。因而，大科学装置又称为国家重大科技基础设施。

建设大科学装置的意义在于用极限研究手段去突破前沿科学的挑战，发现自然规律、探索未知世界、实现技术变革。大科学装置是创新驱动发展、增强科技国际竞争力、实现科技强国目标的重要公共平台，支撑着基础科学前沿研究和多学科交叉前沿研究发展，标志着一个国家核心、原始创新能力的高低。同时，大科学装置是众多高新技术的源泉和高新技术产业的摇篮，推动着经济社会全面、协调、可持续发展，也为国家安全提供着必不可少的基础科技。

表1 大科学装置分类表

图1 大科学装置系统要素图

我国大科学装置建设特色

中国科学院作为中国自然科学最高学术机构、科学技术最高咨询机构、自然科学与高技术综合研究发展中心，亦成为了建设和运营大科学装置这一科学“重器”的主要力量。据统计，我国现有在运行的大科学装置20个，在建的有11 个。从相关管理规定可知，中科院对大科学装置分别按照应用目的、投资经济建设、承建形式和运行方式及发展生命期进行了相关分类，具体如表1所示。

从现有布局来看，中国的大科学装置正在朝多领域、综合性、地域分散及多部门共建方向发展，其特征也日趋凸显，主要体现为“两性一大一长三集聚”：“两性”指其大科学装置兼具科学性和社会性，既有明确的前沿科学技术目标又面向国家发展战略，既是先进的复杂的科研专用设施又是开放性的社会公共平台；“一大一长”是指规模大、建设运行周期长；“三集聚”则是人才集聚、资金集聚及技术集聚。

“两性一大一长三集聚”的特性亦意味着大科学装置建设运营具有复杂性、系统性，既有基础研究又有应用研发，既有基础科学问题又有工程技术问题，需从无到有来建设，更需长期良性运营，在产生科学技术巨大价值意义的同时还需有力推动经济社会发展，如图1所示。

杭州大科学装置的建设路径

为鼓励社会企业积极与高校、院所开展产学研合作，承担重大创新载体平台建设，早在2016 年，杭州市就针对浙江省下发的《关于补齐科技创新短板的若干意见》，出台了《关于深化改革加强科技创新加快创新活力之城建设的若干意见》（市委〔2016〕16号），政策核心点即就省文件中条款“我省企业牵头承担国家工程实验室、国家重点实验室、国家工程（技术）研究中心、国家企业技术中心、国家地方联合工程研究中心（工程实验室）、国家制造业创新中心等国家级重大创新载体建设任务的，予以最高3000 万元支持”予以响应，对本市企业承担国家级重大创新载体建设进一步给予资金支持，明确原则上按浙江省扶持经费1∶1比例予以配套。

近几年来，杭州不断加大全市研发投入，研发经费投入占地区生产总值比重逐年提高，2019 年杭州市研发与实验发展经费达到530.4 亿元，其中财政科技支出为148.2 亿元。与此同时，在基础研究和应用基础研究方面得到了政府的进一步关注，大科学装置建设布局取得了突破性进展。

2019 年，浙江大学牵头的“超重力离心模拟与实验装置”获批启动建设。“多维超级感知重大科技基础设施（之江实验室）”“超灵敏量子极弱磁场和惯性测量重大科技基础设施（北航杭州研究院）”“新一代工业互联网系统信息安全大型试验装置（浙江大学）”等3 个大科学装置已进入国家发改委评审阶段，有望获批建设。

超重力离心模拟与实验装置建设的“浙大模式”

“超重力离心模拟与实验装置”是第一个落地浙江省的国家重大科技基础设施项目。

浙江大学作为牵头单位，早在2017 年筹备酝酿期就在机构设置和科学家人才团队配置上做了精心部署，成立了浙江大学超重力研究中心，组建了10 名院士为核心的科学与技术队伍。陈云敏院士担任中心主任兼首席科学家，并设立了学术委员会，其中有8 名院士委员，张泽院士担任委员会主任。

之后，教育部和浙江省政府建立了省部协同机制，浙江大学于2020 年6 月印发《浙江大学超重力离心模拟与实验装置国家重大科技基础设施项目建设管理办法（暂行）》通知，成立了国家重大科技基础设施建设（推进）指挥部，总指挥由校领导兼任。指挥部下设办公室，设置综合组、工艺组、工程组等三个工作组，由指挥部办公室负责三个工作组的统筹协调。项目建设的体制机制也在不断创新，项目建设以问题为导向，边论证边建设边出成果，逐步形成了高校建设国家重大科技基础设施项目的“浙大模式”。

据公开数据，作为“十三五”时期优先启动建设的10 项国家重大科技基础设施项目之一，“超重力离心模拟与实验装置”主要建设内容包括2 台全球容量最大的高速超重力离心机，容量分别为1900g·t（重力加速度·吨）和1500g·t（重力加速度·吨）；6 座超重力实验舱，分别为用于验证重大工程服役性能的边坡与高坝实验舱和岩土地震工程实验舱，支撑我国能源和矿产资源开发向国际先进水平迈进的深海工程实验舱和深地工程与环境实验舱，增强我国地球科学和材料科学研究的原始创新能力的地质过程实验舱和材料制备实验舱；18 台机载装置，其中6 台为世界首创、12 台技术指标国际领先。

由陈云敏团队自主研发的高速铁路全比尺动力试验创新装置

该项目计划总投资约为21 亿元，其中国家投资18.5 亿元，浙江省配套2.5亿元，用地89亩，建筑面积34560平米，建设周期5年。

该项目首席科学家陈云敏院士介绍，这一在建的全球容量最大、应用范围最广的超重力多学科开放共享实验平台通过超重力离心机与力学激励、高压、高温等机载装置综合集成，构建了超重力场与极端环境叠加一体的复杂科学实验场景。在此场景内，可以对从瞬态到万年时间尺度、从原子级到千米级空间尺度、从常温常压到高温高压等多相介质运动进行观测，具有时空压缩、能量强化和加速相分离三种基本科学效应，为地质过程演变与成岩成矿、岩土体大时空演变与成灾、合金熔体超重力凝固的机理研究，为深地深海资源开发、重大基础设施建设、高性能材料研发等提供基础支撑。

杭州3个待建大科学装置介绍

除了超重力离心模拟与实验大科学装置获批启动建设以外，杭州还有3 个大科学装置已进入国家发改委评审阶段。

据有限的公开材料得知，多维智能感知大科学装置作为之江实验室“1481 科研工程”（1 个国际大科学计划，4 个大科学装置，8 个重大科技应用平台以及100个重大科研项目）的重点版块，将围绕多维感知融合和类人五感极限感知研发并建设超级感知数据与计算支撑平台。

2020 年10 月，北京航空航天大学房建成院士团队与杭州高新区（滨江）“超高灵敏极弱磁场和惯性测量装置”重大科技基础设施培育项目签约。该设施的培育建设将紧密围绕“四个面向”，服务国家战略、军民融合，助力产业变革。落地在滨江区的北航量子精密测量与传感技术实验大楼未来应用将促进芯片化量子传感器的产业化，带动无人系统导航及高端医疗设备等千亿级产业的形成和发展。

2020 年7 月发布的《浙江省新型基础设施建设三年行动计划(2020—2022 年)》中，明确提出要大力推进大科学装置建设，建设大规模、通用化、高拟合的新一代工业互联网系统信息安全大型实验装置。该装置将实现工业互联网在大规模、高精度、高逼真极限条件下信息安全与功能安全的综合深度分析、检测、验证与评估，从根本上解决我国工业互联网系统信息安全重大隐患。

大科学装置发展的“杭州战略”探索

为进一步推进大科学装置建设在杭州的快速稳步发展，杭州应以国内大科学装置的建设发展的几十年历程及美国、德国、日本等发达国家的成功经验为鉴，进一步加强开放合作。

超灵敏量子极弱磁场和惯性测量重大科技基础设施

一是尝试程度不等的国际合作，充分集聚参与方在规划设计、投资评估、建设运营和管理服务等方面的优势，提高大科学项目成功率；

二是应进一步重视从不同视角不定期发布未来大科学装置发展战略报告和发展路线图，设立专门机构制定发展指南和发展战略规划；

三是在确保大规模持续稳定投入的同时，鼓励支持大科学装置向社会开放，公益免费使用与市场收费使用并行，充分发挥其社会效益，成为高层次人才培养基地和高端科普教育基地；

四是进一步发挥大科学装置的产业集聚和辐射效应，提升装置经济价值，聚焦优势重点产业，加速成果转移转化，形成产业与装置设施的良性互动，打造经济发展新引擎。

继北京、上海、合肥和深圳成功创建成为综合性国家科学中心城市后，我国又有多个省会城市开始角逐，争创综合性国家科学中心。与科教强市武汉、南京、西安，国家中心城市成都，以及国家第一大经济省份广东的省会广州等强劲对手相比，杭州创建综合性国家科学中心有其得天独厚的优势积累——既可依托以浙江大学为首高校院所科研人才高地，又可借助阿里巴巴、海康威视等企业集群的强大科技成果转化与应用技术能力。

高速的产业发展和经济社会发展使得重大科技基础设施群建设成为必然亦可能，大科学装置布局和集聚必将吸引一批全球顶尖科研机构和一流研究团队，有效推动多学科交叉前沿研究，从而有力保障杭州在科技创新方面持续位居全国前列。