大科学设施提升四川创新竞争力重点领域研究

白云翔 李泽霞

一、大科学设施发展概况

大科学设施是用于基础研究和应用基础研究的大型科研装置或设施。大科学设施最为典型的案例是美国的“曼哈顿计划”，除此之外美国基于国家战略目标还建设了一批大科学设施，从而铸就了美国全球科技强国的基础地位〔1〕。随着科学研究活动从分散和孤立的小范围协作逐渐走向整体性、系统性和集成性较强的大规模行为，大科学设施的概念和涵盖范围也不断得到扩展。涵盖范围从高能物理、核物理和天文学等有限领域逐步扩展到几乎全部自然科学领域〔2〕。

科技发达国家大多都把重大科技基础设施规划建设放在很重要的位置，投入运行的设施数量近年来呈稳步增长的态势。美国、德国、法国和英国几个主要发达国家在2010—2020年运行设施数量占历史累积设施总量的比例达到65.2%，同期，我国运行设施的数量占历史累积设施总量的40%〔3〕。1991—2020年，上述几个主要发达国家大科学设施运行数量年均增长率为6.4%，中国为3.9%，可以看出我国大科学设施建设速度低于主要发达国家。

改革开放后，国家更加重视科技事业的发展，促进了我国大科学设施的快速发展。1980年代是我国大科学设施第一个高速发展期，一批具有重大影响的科学设施相继建成，除了北京正负电子对撞机(1)系我国首个国家重大科技基础设施，于1984年开始建设，1988年建成。北京正负电子对撞机的成功建设运行使中国高能物理实验研究走在国际前列，有力带动了我国大科学设施建设的飞跃发展。之外，还有兰州重离子研究装置、中国环流器一号(HL-1)等。党的十八大后，我国制定发布了《国家重大科技基础设施中长期规划(2012—2030年)》，首次在国家战略层面形成了大科学设施发展的中长期路线图，推动大科学设施建设进入高速发展期，建成了一批世界领先的重大设施，例如上海光源、散裂中子源等。

目前由国家发改委批复建设的国家重大科技基础设施共有49个(含5个分布式大科学实施)，建成运行的25个。从区域布局来看相对均衡，在地域分布上呈现出相对集中的特点，其中北京有13个，上海和四川各有6个(详见表1)。

表1 中国大科学设施地区分布

从全球范围看，主要发达国家的设施布局已经相对完善，设施的科研支撑能力要优于我国(详见表2)。与主要发达国家的设施数量相比，我国近年来的布局速度较快，在建设施占设施总量的49%，未来5年也将是我国重大科技基础设施建设部署的高峰期，也是大科学设施战略布局的重要机遇期。

表2 主要发达国家及我国大科学设施数量及在建设施情况

二、大科学设施在创新体系中的重要意义

作为重要的创新基础设施，大科学设施是国家创新体系的重要组成部分，承载着科技创新的“国家使命”，能够为国家重大原始创新和重大科技成果产出、创新资源集聚、核心关键技术突破、高技术产业和战略性新兴产业发展提供创新的基础条件〔4〕。同时，大科学设施也是实施创新驱动发展战略的重要抓手，是综合性国家科学中心建设的“硬指标”。依托大科学设施，还有利于形成功能完备、相互衔接的科技创新中心〔5〕，提升区域创新全链条支撑能力。

1.催生重大科学发现，支撑多学科研究发展

现代科学进步离不开大科学设施。1931年，美国物理学家欧内斯特·劳伦斯通过磁共振原理建成了回旋加速器。在此后的60年间，基于大科学设施获得诺贝尔物理学奖的学者多达21个。20世纪中叶以来，在物质结构方面的重大突破几乎都与大科学设施有关，要在这些领域取得世界级的研究成果，必须发展一流的科学设施，为原始创新提供研究手段。大科学设施支撑跨领域、交叉学科研究，为相关研究提供了新的手段和产生突破的基本实验条件。北京同步辐射装置(BSRF)、合肥国家同步辐射实验室(HLS)、上海光源(SSRF)是目前正在运行的三个同步辐射类公共实验平台。2003年暴发的SARS-CoV冠状病毒，2019年暴发的2019-nCoV冠状病毒，都是依托同步辐射光源得到了蛋白酶结构的解析，为抗病毒药物研制提供了必要的基础数据。2018年建成的中国散裂中子源，在不到一年的运行中，就围绕国际科技前沿和国家重大需求，完成用户课题101个，涵盖新型锂离子电池材料结构、斯格明子的拓扑磁性、自旋霍尔磁性薄膜等基础研究方向，同时开展航空材料、可燃冰、页岩等应用研究，取得了多项重要成果〔6〕。

2.吸引造就一流人才团队

大科学设施具有强大的人才集聚能力、人才承载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设施开展研究，取得出色的成果〔7〕。纵观近代科技发展史，世界科学中心每一次地理空间上的转移，都是顶尖科学家和优秀青年科技人才的重新聚集，大科学设施在全球的布局影响着世界优秀人才的分布，其建设运行过程会吸引和造就一批世界顶级科学家和工程师。正是他们卓越的开创性研究和突破性成果，主导了全球科技创新浪潮。为了实现科技领先，世界科技强国都建立了具有全球视野、能够吸引并充分发挥人才作用的人力资源体系，通过大科学设施“筑巢引凤”也是各国吸引和培育人才的重要策略之一。如大型强子对撞机(LHC)所在的欧洲核子中心(CERN)合作成员国有70多个，拥有大约2500名员工，吸引来自110个国家大约12200位科学家和工程师在此开展合作研究〔8〕，密集的思想碰撞和技术交换，让CERN成为全球的学术前沿阵地和创新热点。

3.推动国家技术创新和产业升级

美国学者埃茨科维兹在分析硅谷等产业创新集群的基础上，提出创新发展“三螺旋”理论，强调创新体系建设的重点应放在以科研院所为代表的知识生产机构、产业部门、政府等创新主体上，进而形成相互影响的三螺旋关系〔9〕。重大科技基础设施是三螺旋关系中的重要环节，设施的高指标和超前性是技术创新与产业升级的重要动力。每一个大科学设施都是性能卓越的研究工具，为了保持设施的先进性，其建造的技术工艺指标都高于上一代的同类设施，这就要求发展更高的技术和工艺。这些前所未有的“指标”都要通过相关装备制造行业来实现，参与建设的企业需要不断地开展技术创新才能达到这一目标，通过这些设施的建设，还有利于科研院所和企业形成良好的产学研创新互动。如高海拔宇宙线观测站(LHAASO)、江门中微子实验(JUNO)为实现其核心探测器件的国产化，联合北方夜视等国内相关企业和研究所，突破了大面积真空光电探测技术瓶颈，成功实现了新型光电倍增管的批量生产，打破国际垄断，是科技创新引领产业创新的典型案例〔10〕。

4.设施的溢出效应，带动区域经济社会发展

依托大科学设施产生的科学发现和技术发明是设施最直接的成果，这些技术成果会首先在设施所在地进行应用转化，设施是知识溢出、技术溢出的源头，溢出效应给设施所在地区、国家带来广泛而深刻的影响。在设施所在地，尤其是有多个科学设施集聚的地区，由于科学成果的不断产生，大量的专利、新技术发明和新兴产业出现，以及来自世界各地优秀研究人员的聚集，有利于地方经济、社会和科技事业快速发展〔11〕〔12〕。大科学设施还是高技术的综合体，独特的创新活力和溢出效应有利于推动技术创新中心的形成，直接或间接衍生出相应的高技术产业，形成新的业态，促进设施所在区域经济发展。如位于广东东莞的中国散裂中子源在建成不到一年后，就联合医疗企业在散裂中子源园区建设国内首台基于加速器的硼中子俘获治疗设施，开展物理测量实验、掺硼药物细胞实验以及动物试验，并将开展临床治疗，发展商业化硼中子俘获治疗产业。为促进大科学设施与产业界的联系，实现更多技术创新，有些大科学设施还设立了产业用户咨询委员会，加强学术界与产业界的知识交换与合作，推动产业经济创新发展。

5.支撑综合性国家科学中心建设

大科学设施集群布局是综合性国家科学中心发展的首要基础条件，设施的集群化建设有利于推动科技进步，为产业技术升级改造和社会经济重大问题的解决提供重要技术平台。目前，国家层面规划布局的大科学设施在综合性国家科学中心已经形成了初步聚集的态势，分别为上海张江、安徽合肥、北京怀柔、深圳大湾区〔13〕。北京凭借首都创新资源的综合优势，在怀柔聚焦物质科学、空间科学、大气环境科学和地球科学等前沿科学领域，布局多个具有国际领先水平的大科学设施，包括高能同步辐射光源、多模态跨尺度生物医学成像设施、综合极端条件实验装置、地球系统数值模拟装置等，为建设世界一流的研究平台提供了强力支撑，同时培养和引进一批高端科技人才，极大地提升了北京区域性创新能力。大科学设施的建设与区域科技创新发展互相促进，相互成就，设施的集聚发展强有力地支撑了综合性国家科学中心的发展〔14〕。

三、四川省大科学设施建设的要素环境分析

近年来四川省深入实施创新驱动发展战略，提升创新资源集聚和转化能力，积极部署开展全面创新改革，打造大科学设施等创新平台集群，建设中国西部(成都)科学城，推进综合性国家科学中心建设。大科学设施并不是孤立建设发展的，需要一定的创新要素基础，其发展程度与所在区域的创新主体、创新基础设施、创新资源、创新环境、外界互动等要素是密不可分的，四川相对于周边省份具有独特优势和基础〔15〕。

1.四川位于国家战略腹地，大科学设施建设战略区位优势明显

2021年10月，《成渝地区双城经济圈建设规划纲要》正式公布，从“顶层设计”角度明确提出把成都建设成为具有全国影响力的科技创新中心〔16〕。从国家层面来看，建设科技创新中心是落实国家创新驱动发展战略，提升国家综合科技实力，应对新一轮科技革命的重点举措。建设科技创新中心，有利于加强成渝地区协同发展，吸引和集聚一批有全球影响力的科技人才，充分发挥成渝地区科技创新优势，打造引领中西部发展的创新高地〔17〕〔18〕。四川省在核科学、航空航天、天文和空间科学、生物医药、电子信息等领域，拥有丰富的科技创新资源和雄厚的科研实力，拥有较为完整的产业体系和企业梯队。四川省现代产业体系建设与发展，都可服务于国家科技创新中心建设。

2.以高校院所为主的创新主体数量大，潜在科学设施用户需求迫切

国际上知名高校科研活动和科学产出离不开大科学设施的运行。四川拥有高等院校134所，科研院所297家，建成各类创新平台1977个，其中国家级创新平台197个。2020年，四川高等院校全时当量研发人员达到27127人年，位居全国第六，这些科研力量都需要大科学设施作为支撑，是潜在的设施用户。四川与其毗邻的周边省份比较，高等院校数量、科研机构数量和R&D研发人员数都位列第一〔19〕。除陕西与四川的差距较小外，四川与其他省份相比比较优势明显。此外，四川还拥有9个国家级、15个省级双创示范基地，四川也是军工大省，国防科研队伍庞大，具有很强的科教综合承载力。然而四川省大科学设施的支撑能力，尤其是公共实验平台的支撑能力远不能满足四川省基础科学研究和应用技术研究的需要，不能适应高端人才的培养以及相关产业升级转型的需要。

3.区域产业创新发展势头良好，需要大科学设施支撑

四川加快构建“5+1”现代工业体系，在电子信息、装备制造、医药健康等主导产业均具有较大规模和发展优势，在集成电路、新型显示、新一代信息技术、汽车制造等行业具有优势。2019年，四川省登记注册的高新技术企业有1422个，有R&D活动的高技术企业754个，位居全国第七，与位居第六的安徽省(1466个)差距很小(2)数据来源：《中国高技术产业统计年鉴2020》。。四川规模以上企业中有研发机构的企业数和有R&D研发活动的企业数都位居西部地区首位，这些企业的创新活动必然要依托于先进的研发平台，相关产业的升级换代也依赖于高水平的公共实验平台。四川依托天府新区建设综合性国家科学中心，也需要以大科学设施建设为抓手，联合中国科学院和国内一流高校院所，与高新技术企业形成产学研良性互动，增强相关产业的创新能力。

从四川的设施分布、科技基础水平、科技人员数量及产业状况分析可以看出，目前四川已经在这几方面显现出比较优势。科技基础条件是国家创新体系中重要的要素之一，科技发展、人才聚集必然对大科学设施这样的科技基础条件提出更迫切需求，因此仍要在高水平的科技创新平台和大科学设施方面进一步分析细化需求，在国家重大科技基础设施建设方面进一步优化布局、加大投入、补齐短板〔20〕。

四、四川省大科学设施建设的优势及不足

四川拥有为数不少的大科学设施创新基础平台，拥有亚洲最大的航空风洞群，建有全国唯一的航空发动机高空试验台，解决“千年能源”问题的中国环流器二号M装置建成并实现首次放电，高海拔宇宙线观测站建成并发现最高能量光子，拥有自主知识产权的“华龙一号”走出国门，标志着我国在三代核电技术领域已跻身世界前列，F级50兆瓦重型燃气轮机满负荷运行，实现能源装备制造“卡脖子”关键核心技术突破等。从区域创新竞争力来看，四川的大科学设施有基础、有特点，然而和现有的其他科创中心设施发展水平相比较还存在差距。

1.运行和在建大科学设施

2021年6月22日，四川省发布《关于进一步支持科技创新的若干政策》，加大力度建设包括大科学设施、科教基础设施在内的各类创新平台。在积极争取国家规划同时，四川省立足本省创新发展需求，自主布置了多个科学设施，比如挑战最高试验速度达1500km/h的轨道交通系统综合试验装置多态耦合轨道交通动模试验平台、开发新型光学成像系统的柔性基底微纳结构成像系统研究装置等，对四川省的科技创新起到了强有力的支撑作用。目前，四川省运行、在建的国家重大科技基础设施6个(详见表3)。大科学设施领域涵盖能源科学、空间和天文科学、粒子物理和核物理、生命科学、工程技术科学等。

表3 四川已投入运行和在建的国家重大科技基础设施

2.四川在核科学、天文与空间科学、先进光学领域有不可替代的优势

四川在核科学及核能研究方面有丰厚的技术积累和人才优势。四川汇聚了多个国内核能研究单位，如被誉为“中国核动力工程的摇篮”的中国核动力研究设计院、我国最早从事核聚变能开发专业研究的核工业西南物理研究院，以及中国工程物理研究院。它们还参与设计了中国首座自主品牌改进型压水堆核电技术CPR1000核电机组、建成我国核聚变发展史上第一个磁约束聚变研究装置中国环流器一号(HL-1)装置、助力“两弹”的成功研制等，为我国核科学技术发展奠定了坚实的科学与工程技术基础。四川在核科学领域还有人才优势，仅中国工程物理研究院就有超过20名两院院士，约23000名在职职工。

四川省稻城县的地理条件和现有科学设施基础在国际天文、空间科学领域具有独一无二的优势。稻城县是我国科学家历经数十年考察科学论证发现的优秀天文台站选址地，经长期监测，稻城白天视宁度、晴日数、积分大气水汽含量和射电环境指标都非常优秀，适合天文学、空间科学高质量观测要求。目前，稻城县已落地建设了高海拔宇宙线观测站、空间环境地基综合监测网(子午工程二期)圆环阵太阳风射电成像望远镜，相关领域还有多个设施计划落地稻城。

川渝两地在光学和光子学领域具有比较优势。近年来中科院光电所、四川大学等在亚波长光学和纳米光子学领域开展了大量研究，并取得了系列原创性成果，成为我国这一领域的重要发展极，与东部沿海科创中心一道，奠定了中国新一代光学和光子学发展的重要基础。推动综合性国家科学中心建设也将为推进新一代光子科学发展提供新的重大机遇，在成都天府新区建立“西部光子城”具备基础条件。

四川省的基础研究在上述三个领域有明显的比较优势，如能在科学设施的规划建设上，优先考虑这些优势领域，短时间内可在国际上率先形成领先态势，让四川省成为我国内陆地区独具特色的科技创新高地。

3.与其他科创中心大科学设施发展存在的差距

公共实验平台是四川省大科学设施建设的短板。除了风洞之外，四川省现有的其他设施均为具有特定科学目标的专用研究设施，仅覆盖某一基础研究领域。相比专用研究设施，公共实验平台是支撑跨领域、交叉学科研究活动的综合性创新平台，这一类设施为相关学科领域的应用研究或工程技术研究提供了新的手段和产生突破的基础实验条件，可以为众多的产业形成强有力支撑。北京怀柔的高能同步辐射光源(HEPS)，位于张江的上海光源(SSRF)，位于合肥高新区的合肥先进光源(HALS)，位于东莞的中国散裂中子源(CSNS)，这些公共实验平台为所在地区的生命科学、材料科学、环境科学、地球科学、物理学、化学、信息科学等众多学科研究提供了不可替代的先进手段和综合研究平台，也是微电子、制药、新材料、生物工程、精细石油化工等先进产业技术研发的重要手段，为当地的产业创新发展提供支撑。缺少面向广泛用户的公共实验平台是四川省大科学设施支撑区域科技创新、产业创新发展最为被动的问题之一。

大科学设施集聚程度不够。大科学设施高度集聚是综合性国家科学中心的显著特征。目前国家在四川省域范围内布局的设施数量达到9个(包括“十四五”规划中拟在四川落地的3个设施)，设施数量仅次于北京、上海，位居全国前列，但没有在某个中心城市形成明显集聚效应，尤其是四川天府新区作为综合性国家科学中心建设的核心区，目前仅规划布局有2个大科学设施，即跨尺度矢量光场时空调控验证装置、电磁驱动聚变原型装置。相比而言，四川天府新区与北京怀柔、上海张江、安徽合肥综合性国家科学中心存在明显差距。

高端领军人才不足以长久地支撑高水平科学设施建设运行。大科学设施的建设运行需要从研发、技术、工程到管理等各类人才。四川的中科院、工程院院士有66人，仅为北京的1/12、上海的1/3、广东的2/5；四川国家千人计划获得者为233人，仅为北京的1/6，上海的1/3，也滞后于广东、江苏等地，引进外国专家数量仅占全国的1.9%。这一人才现状不足以持续地支撑四川省大科学设施发展。

缺少专门的科学数据中心，难以满足大科学设施集聚发展需要。目前四川省还没有专门服务于重大科技创新平台的科学数据中心，现有的科学数据资源存在布局不集中，存储量不足，难以统筹调度，缺少规范化的管理，不能实现开放共享等问题，根据对省内已经建成的高海拔宇宙线观测站、大型低速风洞、子午工程二期、中国锦屏极深地下暗物质实验室等多个大科学设施开展的数据服务需求调研结果表明，现有的数据资源远不能满足大科学设施数据服务的需求，也难以满足未来发展的数据需求。

由设施产生的科技成果溢出效应不明显。四川的大科学设施主要集中在军工行业和基础研究领域，军工类的设施成果转化困难，基础研究的科学设施直接服务地方经济发展作用不突出。如中物院技术转移中心自2004年成立以来，仅孵化了63家公司，其中直接投资孵化院内项目13个，转化效率较低。四川是核科学大省，但核医疗、核药物产业却没有形成相应的规模经济产出。

五、面向科技创新中心建设的大科学设施发展建议

四川曾是国家三线建设要地，国家布局有众多战略科技力量，大科学设施建设需要把国家战略需求与自身科技资源优势相结合、与产业跨越发展要求相结合，充分发挥区域创新优势，在物质科学、光子科学、空天科学领域率先实现领先，支撑综合性国家科学中心建设，打造具有全国影响力的科创中心。

1.建设物质科学大科学设施，发展核能研究与应用，实现“核大省”到“核强省”的跨越

一是发挥四川作为我国核工业大省核设施、研究平台、全产业链、学科完备及人才齐全的优势，布置相关大科学设施，夯实先进核裂变能、受控核聚变能、核燃料循环与材料、核安全与环境、核技术应用等关键理论和前沿技术研究领域的基础，开展四代裂变反应堆特种微型堆芯和安全分析及寿命预测技术、聚变等离子体物理与材料、偏滤器技术、辐射探测与防护技术、核设施退役及三废治理技术、先进粒子加速器技术、放射性同位素及药品生产工艺等基础理论和应用研究。二是面向人民健康生活需要，结合四川产业发展特点，依托前述核科学设施技术优势，发展核医疗设备、核制药等产业，培育核医学成像设备等核医疗设备企业。三是开展先进裂变堆与聚变堆总体及关键工程技术、高效可靠燃料技术、中高放射性废物玻璃固化技术、新型核探测器及核电子技术、先进核诊断和治疗设备仪器、智能辐射检测装备及其他先进核仪器仪表等设计与制造相关的基础研究。

2.建设稻城天文科学城，打造国际一流水准的天文、空间探测设施集群

基于四川稻城区位优势，在已建成的科学观测设施基础上，进一步合理规划，加大投入，形成天文观测、空间探测的设施集群。一是重点推进2.5米大视场高分辨率望远镜、稻城太阳观测站和地基月球观测系统建设，争取12米口径大型光学红外望远镜的落地，布置大型超高能伽马源立体跟踪装置等高水平科学设施。二是围绕稻城天文科学城的科学设施推进稻城天文特色小镇建设，建设宇宙极端环境模拟与宇宙线数字展示场馆，结合高原生态自然风光，建设稻城天文观星基地，把稻城打造成国内外天文爱好者观星集结地，建成以大科学设施为核心，集科学研究、科普教育、特色旅游于一体的天文科学城，持续提升四川在国际上的科技影响力，推动地方经济社会发展〔21〕。

3.建设同步辐射光源、自由电子激光等公共实验平台，打造西部光子科学城

一是依托中科院光电所、四川大学、电子科技大学等高校院所在光学领域的技术优势，以及绵阳九院在加速器技术方面的优势，吸引国内相关领域的专家，在四川天府新区建设西部同步辐射光源、自由电子激光等先进科学设施，为相关前沿科学探索提供条件，支撑四川省材料科学、生命制药、环境科学、电子工业、石油工业、化学化工、生物工程等产业的发展，打造西部光子科学城，开展原创性基础研究，推动国家光子学发展迈向新的台阶。尤其是要依托光子科学城的先进研究平台，推动四川省在新材料领域开展钒合金、钛合金的高性能化及功能化新理论和新技术研究。依托西部光子科学城先进公共实验平台，推动四川省在化学化工领域发展。二是围绕西部光子科学城，构建光学科学与技术的创新生态链，通过设施溢出效应，培育相关产品研发和制造企业，构造光子学领域科学研究和产业高地，带动上下游光学材料、器件系统集成技术和软件行业发展，形成科技创新和产业创新的良性互动。重点围绕加强光子结构功能材料、数字光学新一代光刻技术等，攻克从设计到制造一系列高难度和高复杂度技术瓶颈，重点围绕微纳光子科学与工程、光子智能传感网和生态大数据中心等开展系统集成和试验验证。

4.建设西部科学数据中心，支撑大科学设施高质量科学产出

基于四川省大科学设施的总体规划，建设西部科学数据中心，以在川建设的大科学设施为服务主体，汇集省内其他重大科技创新平台，促进各学科交叉融合，为各领域科学家在川开展科学研究提供高效、可靠的存储与计算条件与平台支持，有力推进大科学设施科学研究的技术融合、业务融合、数据融合；规范科学数据采集生产、加工整理和长期保存，确保数据质量；面向全球科学家、科研人员、工程技术人员提供标准化、可追踪的高效数据服务，实现基础研究以及面向用户的多学科交叉研究和应用目标。同时利用已经投入运行的成都超算中心高性能计算力量，提高科学数据分析处理能力，促进科学数据转化为科学发现，推动重大原创性科学成果加速涌现，最终实现“科学大脑”驻扎成都，“科学触角”延伸到各学科领域、各高技术产业。