中國科學院重大科技基礎設施建設的回顧與思考*

文/羅小安楊春霞

1中國科學院高能物理研究所 北京 100049

2中國科學院大科學裝置辦公室 北京 100864

1 概述

國家重大科技基礎設施是國家為在科學技術前沿取得重大突破、解決經濟社會發展和國家安全中的戰略性、基礎性和前瞻性科技問題而投資建設的科學技術研究設施。重大科技基礎設施是實現科學前沿突破的重要基礎，是促進國家經濟社會發展的科技保障，是推進高新技術和產業的發展動力，是培養人才和提升國際合作水平的重要平臺。

我國的重大科技基礎設施建設是在20世紀五六十年代“兩彈一星”計劃的帶動下啟動的，改革開放以來，隨著國家投入的增加，重大科技基礎設施涉及的領域不斷拓展，建設穩步發展，在我國科技進步、社會發展和經濟建設、國家安全中發揮了重要作用。

中科院在國家重大科技基礎設施的發展中始終發揮著引領和骨干作用，是承擔我國重大科技基礎設施建設和運行的主要力量，目前運行設施13個，在建設施10個，將建設施1個，見表1。

按照不同的應用目的，重大科技基礎設施一般分為3類：一是為特定學科領域的重大科學技術目標建設的專用研究設施，如北京正負電子對撞機、蘭州重離子研究裝置等；二是為多學科領域的基礎研究、應用基礎研究和應用研究服務的，具有強大支持能力的大型公共實驗平臺，如上海光源、合肥同步輻射裝置等；三是為國家經濟建設、國家安全和社會發展提供基礎數據的公益基礎設施，如中國遙感衛星地面站、長短波授時系統等。

表1 中科院重大科技基礎設施統計表

2 已建設施安全穩定運行，科研成果顯著

目前，中科院共有13個重大科技基礎設施處于穩定運行狀態，其基本情況見表2。

在國家相關部委的支持下，中科院運行的重大科技基礎設施取得了大量的有重要價值的科學數據和科研產出，設施建設和依托其進行的高水平研究工作多次獲獎，截至2011年，共獲國家級獎勵24項。

（1）專用研究設施極大提升了我國基礎前沿研究水平和自主創新能力。北京正負電子對撞機（BEPC）使我國在τ-粲物理實驗領域處于國際領先地位，其優異性曾迫使美國同類加速器SPEAR不得不改變研究方向，BEPCII建成之后，其亮度是美國康奈爾大學對撞機（CESR）亮度的7倍，使中國的加速器技術、探測器技術實現了又一次跨越。蘭州重離子研究裝置是我國目前加速離子種類最多、能量最高、束流品質最好的重離子加速器，合成了11種近滴線稀土新核素，核素質量測量精度達到10-6量級，進入國際先進行列。超導托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）作為世界上第一個全超導托卡馬克實驗裝置，在國際上首次獲得分鐘量級的非圓偏濾器位形下高參數長脈沖等離子體，被國際同行譽為“世界聚變能開發的重要里程碑”。郭守敬望遠鏡以中國原創的新概念和新方法，使人類觀測天體光譜的數目提高一個數量級。與同等規模的激光裝置相比，神光II裝置輸出的能量、功率、光束質量等指標全面達到及部分優于國外目前正在運行的裝置，實現了我國激光驅動器技術發展史上質的重大跨越，進入了當代國際最先進的高功率固體激光驅動器行列。

表2 中科院已建設施基本情況

（2）公共實驗平臺為多學科前沿研究提供先進的實驗平臺。這類平臺支撐我國科技界在交叉研究領域里開展高水平的研究工作，并取得了具有世界先進水平的成果。依托北京同步輻射裝置，測定菠菜主要捕光復合物的晶體結構，解析SARS冠狀病毒結構，在分子水平揭示砒霜治療白血病的機理等多項重要成果在Nature、Science等國際頂級刊物上發表。作為我國第一個專用同步輻射光源，合肥同步輻射裝置在燃燒、X射線成像等領域取得了重要成果，依托合肥同步輻射裝置發現系列碳氫化合物氧化過程的重要中間體——烯醇于2005年作為封面文章發表在Science上。上海光源在2009年開放運行后，首批7條光束線站實驗機時供不應求，其優異性能支撐我國用戶在較短時間內獲取大量的實驗數據，取得了一批具有國際影響力的研究成果，如肌動蛋白7a的突變如何導致先天性失聰失明、大腸桿菌巖藻糖轉運蛋白結構與功能研究、植物幾丁質受體參與信號轉導的生化機理、Pt-Fe納米催化劑的原位X射線吸收譜結構表征等，促進了我國生命科學、材料科學、催化、環境等多個學科領域的快速發展。

公益基礎設施為社會發展提供了必不可少的保障。面對重大災害的發生，遙感飛機以最快的速度對重災區進行大規模遙感飛行，中國遙感衛星地面站能在最短的時間內提供重要的遙感監測數據，為抗震救災決策和指揮提供高質量災情分析報告。此外，中國遙感衛星地面站在南水北調、西氣東輸等重大工程決策、國土資源和生態環境調查、農作物估產、災害監測、資源勘測等方面發揮了不可替代的作用。長短波授時系統作為國家不可或缺的科學技術支撐基礎工程和社會公益設施，其時間基準始終保持國際先進水平，為國民經濟發展、國防建設、國家安全等諸多領域提供國家標準時間和標準頻率服務，多次承擔火箭、衛星發射等授時保障任務。中國西南野生生物種質資源庫建成后使我國野生生物種質資源保藏能力達到國際領先，對國家生物多樣性保護和生物資源的持續利用起到了重要作用，為我國經濟社會可持續發展提供了生物資源戰略儲備。2010年上海世博會期間，中國西南野生生物種質資源庫為英國館“種子圣殿”提供了約900種26萬粒種子/果實，極大提高了社會顯示度。“實驗1”科學考察船是我國目前最專業的水聲學科及海洋多學科的海上實驗平臺，能滿足在近海、遠洋進行水聲學、物理海洋等多學科和交叉學科綜合科學考察的需要，可支持大范圍、大尺度觀測網絡的布設、觀測、調控和監視等任務，進行海洋環境實時立體監測體系和綜合信息系統研究。

由于科學技術目標的原創性，重大科技基礎設施已成為眾多高新技術的源泉和高技術產業的搖籃。在建設北京正負電子對撞機和后續開展的高能物理實驗國際合作中，高能物理所率先在國內實現計算機國際聯網，1986年進入國際Internet，90年代初引進了WWW網頁，并向全國推廣。利用北京正負電子對撞機重大改造工程建設所掌握的低溫超導技術、探測器技術、電子學技術和核分析技術等，成功研制了超導除鐵器、正電子發射乳腺癌診斷斷層掃描儀PEM、X射線工業CT和高性能動物正電子發射斷層掃描儀，其中部分已進入工業實用階段。基于建設蘭州重離子加速器時攻克的低溫與真空集成創新技術研制成功的食品真空凍干機已大規模進入國內該領域的設備制造產業，并打造出國內的龍頭企業。世界上第一個非圓截面全超導托卡馬克實驗裝置在建設中實現了我國在高溫超導大電流引線領域零的突破，研制生產的萬安級到百安級電流的系列高溫超導電流引線，為多個重要用戶提供了優質高溫超導電流引線產品。神光高功率激光實驗裝置所特有的大口徑光學元件對其加工技術和能力起到了極大的推動作用，依托神光高功率激光實驗裝置，上海市嘉定區已形成區域光學元件加工產業鏈，年產值達2億—3億元。利用建造大型加速器的技術研制成功的工業輻照加速器，已廣泛應用于食品和衛生器材的輻照殺菌。這些高新技術的突破和科技成果的轉化，充分顯示了重大科技基礎設施的社會效益和經濟效益。

重大科技基礎設施還是建立國家大型科研基地的重要條件。集中建設多個重大科技基礎設施，形成依托設施群的大型科研基地，打造中國的“科研航空母艦”，開展多學科交叉研究，是提升國家科技創新能力、發展高科技的需求，開展多學科交叉研究是國家科技水平和綜合實力的體現，也是科學發展的必然需求和經濟發展到一定階段的產物。根據現有布局及國家重大科技基礎設施中長期規劃部署，上海、北京、合肥、廣東等地依托重大科技基礎設施群有可能最先形成大型綜合科研基地：上海科學研究中心以上海光源、蛋白質科學研究設施、X射線自由電子激光等為依托；北京綜合科學研究中心以高能光源為依托，建立物質科學綜合極端條件實驗室裝置、地球系統數值模擬器裝置等；合肥科學研究中心以超導托卡馬克核聚變實驗裝置、合肥同步輻射裝置、穩態強磁場實驗裝置為依托；廣東科學研究中心以散裂中子源、中微子實驗、海洋科學考察船、海底科學觀測網等為依托。

隨著重大科技基礎設施的蓬勃發展及高水平科技成果的產出，我國在國際科技活動中的地位和參與國際競爭的能力進一步提高，并將在國際高能物理領域、大型天文望遠鏡研制建設、國際熱核聚變合作計劃中做出重要的、實質性的貢獻。建在歐洲核子研究中心（CERN）的世界上能量最高的大型強子對撞機LHC是粒子物理領域的重大國際合作項目，正是由于中國在高能物理研究領域占有的重要地位，中國承擔了LHC的CMS和ATLAS大型探測器關鍵部件的研制并高質量地完成了任務，這為我國科學家參加LHC實驗數據的物理分析獲取了入場卷。被稱為“人造太陽”的國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）是目前世界上最大的國際科技合作項目之一，其目標是建造可實現大規模聚變反應的聚變反應堆，由我國科學家自行設計和研制的超導托卡馬克核聚變實驗裝置，是未來若干年唯一能為ITER提供長脈沖穩態先進運行高參數非圓等離子體平臺的實驗裝置，為ITER計劃做出了重要的、實質性的貢獻，大大提升了中國在ITER重大國際合作中的地位。

3 在建及將建設施積極探索“邊建設、邊運行”模式

中科院11個在建（將建）設施建設工作進展順利，其基本情況見表3。

在保證設施建設進度和質量的前提下，部分設施積極探索“邊建設、邊運行”模式，在建設后期，即開始試運行工作，并取得了顯著的科研成果。大亞灣反應堆中微子實驗于2007年10月13日在深圳大亞灣核電站內正式開工建設，在激烈的國際競爭中，承建單位中科院高能物理所采取了多種措施，克服重重困難，最終在2011年8月開始近點物理取數，12月24日開始遠近點同時運行。2012年3月8日，大亞灣中微子實驗國際合作組發言人在北京宣布，憑借55天的數據量，大亞灣反應堆中微子實驗搶在競爭對手之前，發現了一種新的中微子振蕩,并測量到其振蕩幾率。該成果在國際高能物理界引起熱烈反響，決定了未來中微子物理實驗發展的方向，是以我國為主的國際科技合作項目成功的范例。

另外，在設施建設以國家投入為主的基礎上，中科院積極有效地加強協同創新，與地方或其他相關單位合作共建，促進地方科技發展。如，500米口徑球面射電望遠鏡由中科院與貴州省政府合作共建，散裂中子源由中科院與廣東省政府合作共建等。通過共同建設這種形式，對拉動地方經濟，促進地方相關學科的發展具有重要意義。再如，子午工程由中科院等7個部委所屬的12家法人單位通力合作，高質量完成了全部建設內容，是多部門共建網絡式大科學工程的成功典范。

4 “十二五”規劃展望

中科院重大科技基礎設施“十二五”規劃的制訂緊密結合“創新2020”的發展戰略，與我國經濟、社會、區域發展格局和資源、生態、環境、區域特點相適應，結合50年路線圖的研究，梳理規劃總體目標及設施未來發展思路，依托全國的科學家，提早啟動并科學遴選規劃建議項目。

在積極全面參與國家重大科技基礎設施“十二五”規劃工作的基礎上，中科院統籌部署、積極策劃、落實責任、組織隊伍，抓緊規劃項目立項的前期工作，成熟一項、啟動一項，力爭在“十二五”期間迅速形成競爭優勢，在國家重大科技基礎設施建設和運行中繼續發揮骨干引領作用：在前沿基礎科學若干重要領域，繼續保持優勢，發揮引領作用；在能源、環境、生命科學、材料科學、粒子物理、空間科學及工程技術等發展迅速、競爭激烈的領域，積極進取，形成競爭優勢；在科學規范管理、開放共享和產出高水平科學成果方面，成為全國的表率。

表3 中科院在建（將建）設施基本情況

規劃制訂過程中，在重要的基礎科學前沿研究領域，中科院充分發揮優勢，注重頂層設計，積極組織策劃，提出對未來科學發展具有重要意義的重大科技基礎設施；統籌布局，積極部署事關國家經濟社會發展和國家安全的重大科技基礎設施；并積極做好相關設施的協同部署，為形成若干依托重大科技基礎設施的大型科學綜合研究基地建設奠定良好的基礎。

在“十二五”建議項目遴選時，綜合考慮社會經濟發展需求以及科技前沿發展需求，優先發展平臺型設施，精心選擇建設專用型設施，高度重視公益型設施。

根據國家發展中長期規劃，我國“十二五”期間將重點建設16項重大科技基礎設施，中科院將積極承建或參與規劃項目的建設，充分發揮中科院長期積累的建設國家重大科技基礎設施經驗，發揮從事大科學工程建設、運行隊伍的優勢，使中科院在國家重大科技基礎設施建設中繼續保持骨干引領作用，確保高質量地完成國家任務。

回顧重大科技基礎設施的建設發展歷程，中科院采取有所為、有所不為的方針科學規劃建設了一批符合我國國情的重大科技基礎設施，并取得了眾多具有重大科學意義的創新性成果，大大提升了中國在國際上的科技競爭力。但是，與發達國家的類似設施相比，我國一些已建設施的科學產出水平和數量還有一定差距，配套基礎設施相對薄弱；開放共享的軟硬件不足，重大科技基礎設施的發展與建立國家創新體系的需要相比，還存在較大差距。

圖 中科院重大基礎設施分布圖

但是，我們堅信隨著國家對重大科技基礎設施發展的重視及投入的不斷增加，重大科技基礎設施的建設、運行、開放和研究工作一定能夠邁上新的臺階。在“十二五”規劃項目組織實施的過程中，中科院將繼續統籌部署、督促落實、規范管理、認真建設、科學運行，繼續成為國家重大科技基礎設施建設發展的主力軍，面對國家戰略需求和世界科學前沿做出更大的貢獻，保持中科院在我國的科技“火車頭”作用。

1 中國科學院大科學裝置領域戰略研究組.中國至2050年重大科技基礎設施發展路線圖.北京：科學出版社，2009.