國之重器：我國大科學裝置發展現狀探析

文 徐旻昕 王茜 劉秋蕓

大科學裝置在提升科技實力方面發揮著重要作用，有必要對我國的大科學裝置的發展現狀進行分析，以期為提高大科學裝置的建設布局規劃和運營效率提升提供幫助。

《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012—2030年）》提出，大科學裝置的建設和運行“為科學前沿探索和國家重大科技任務開展提供了重要支撐”，推動我國“部分前沿方向的科研水平進入國際前列，“解決了一批關乎國計民生和國家安全的重大科技問題”，因而有必要對大科學裝置進行研究，為提高我國大科學裝置的建設與運行的效率提供借鑒。目前對大科學裝置的研究主要集中于某個裝置或者部分裝置，鮮有對我國大科學裝置的整體情況進行概括并且深入分析。因此，本文擬對我國大科學裝置從類型、機構、地域、領域和合作五個維度進行分析，望對大科學裝置現狀有進一步的理解并且發現目前存在的問題。

大科學裝置的意義

當今世界，科技已經成為體現國家競爭力的重要部分，全球各個國家紛紛發布大科學裝置的規劃路線圖，加強資金投入，擴大建設規模，搶占未來科技發展制高點。

（1）科學價值方面，大科學裝置支持科學研究的產出和突破。作為實現國家重大科學技術目標的大型綜合研究設施，大科學裝置在國家科技創新領域的發展發揮著重要作用。2009年的諾貝爾化學獎得主Ada Yonath，利用了包括ESRF、DESY、PSI等多個國家的多種同步輻射光源設施來完成系列研究。截至2019年4月底，上海光源通過十年的開放，首批線站累計為用戶提供實驗機時超過34萬小時，執行通過專家評審的課題近13000個，已形成了我國相對穩定的高水平同步輻射用戶群體，取得了一系列重要研究成果，涵蓋生命科學、凝聚態物理、化學、材料、能源、環境、地質、考古等學科領域。用戶已發表期刊論文約5000篇，其 中，《Science》《Nature》《Cell》三種頂級國際刊物的論文96篇，SCI-1區論文約1500篇。

（2）產出應用方面，大科學裝置為技術創新和產業發展提供強大的動力。大科學裝置與產業相結合，可以創造跨領域的技術創新。例如，蘭州重離子研究裝置屬于粒子物理和核物理領域的研究裝置，促進了結合其他領域產業技術的進步。在農業方面，中國科學院近代物理研究所（以下簡稱“近代物理所”）利用重離子裝置的重離子束實施的誘變育種技術在培育新作物和新菌種都取得了較好的成績。在醫療方面，近代物理所基于該設施在完成大量放射物理、放射生物學實驗以及重離子治療技術的基礎上，于2006年開始重離子治療腫瘤臨床試驗，到2013年底共進行了18批213例腫瘤患者的治療，取得了顯著療效，使我國成為世界上第四個實現重離子束治療腫瘤臨床試驗研究的國家。大科學裝置結合研究與實際，有利于經濟效益的提高。英國散裂中子源（ISIS）的管理機構科學技術設施協會2017年年報顯示，圍繞大科學裝置展開基礎研究與技術產業化，英國的能源費用比3年前降低了2%。勞斯萊斯、波音等公司也利用ISIS的譜儀設備，進行裂紋檢測、殘留應力等實驗，在提高產品質量的同時降低了生產成本。

（3）國際合作方面，大科學裝置在國際科技的競爭合作中扮演重要的角色。一方面，針對全球性的科學研究，僅僅依賴單個國家難以實現大科學的目標。例如天文領域的黑洞研究，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織協調全球六地進行觀測，并歷時兩年的數據整理，方才獲得第一個黑洞的視覺證據。另一方面，事關人類共同利益和長遠發展的科技領域，聯合共建與合作研究越來越成為發展大科學裝置的重要方式。國家擁有大科學裝置的數量和質量一定程度上展現了國家的科技競爭力，決定著在國際科技競爭合作中能否贏得主動權。

大科學裝置的類型分析

本研究中的大科學裝置相關數據主要源于期刊文獻、政府文件、中國科學院重大科技基礎設施共享服務平臺、長三角科技資源共享服務平臺以及大科學裝置官網等，采集時間截至2019年4月底，通過對科學裝置的類型、機構分布、地域分布、領域分布及合作分析進一步了解我國大科學裝置的發展現狀。

據統計，目前我國運行、在建以及準備中的大科學裝置共計96臺，以下對這些大科學裝置的類型進行分析。

本研究依據中科院重大科技基礎設置設施共享平臺中的分類規則，將大科學裝置分為3類：1）專用研究設施。指為實現特定學科領域的重大科學技術目標而建設的大型研究設施，如北京正負電子對撞機、蘭州重離子研究裝置。2）公共實驗設施。指為多學科領域的基礎研究、應用研究服務的大型設施，具有強大的支持能力，如上海光源、合肥同步輻射裝置。3）公益科技設施。主要指是為國家的經濟建設、國家安全和社會發展提供基礎數據的大型設施，如中國遙感衛星地面站、長短波授時系統、中國西南野生生物物種種質資源庫。

96臺大科學裝置按類型劃分如表1所示。總體來看，我國大科學裝置中專用研究設施數量占比為49.0%，呈現出以專用研究設施為建設重點，公共實驗設施和公益科技設施并進的發展模式。統計的大科學裝置可分為運行（包含邊建設邊運行狀態）、在建和準備中三種狀態，運行中的裝置有65臺，占比為67.7%，可見以運行中的設施為主體。另外，邊建設邊運行的裝置為高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），2018年正式開工，2019年即已投入探測器進行科學觀測。

表1 中國大科學裝置的類型分布

大科學裝置的機構分析

大科學裝置的建設過程中有時涉及法人單位與多個共建單位并存、建設單位與日常運營管理單位不統一的情況，為了便于統計分析，本研究僅統計大科學裝置的主導機構，即以法人機構或管理運行機構為依據選擇主導機構（下同）。將機構類型按科研院所、高等院校、政府機關、企業和事業單位對96臺大科學裝置進行分類。從圖1中可以看到，我國大科學裝置的主導機構數量較多的為科研院所，其次為高等院校，兩者總和占比92.7%。由于大科學裝置一般是國家性的大型設施，通常由政府機關作為建設大科學裝置的主管機構，但是此處統計的政府機關是指直接負責一臺大科學裝置的建設、運行的機構，僅占4.2%。對大科學裝置機構類型統計發現，擁有大科學裝置數量較多的機構是中國科學院高能物理研究所（以下簡稱“高能所”），主導的建設或運行的大科學裝置達9臺，參與的大科學裝置建設與運行的大科學裝置為4臺，涉及大科學裝置數量共計12臺。

圖1 中國大科學裝置所屬機構分類

大科學裝置的地域分析

對大科學裝置所在地域進行分析，分別對大科學裝置和其所屬的機構的地域分布進行分析，以便比較兩者存在的差異，加深對大科學裝置地域分布方面的認識。為排除部分未開工且尚未確定裝置地址的干擾，此處僅統計在建和運行的89臺大科學裝置。

裝置地域分布

表2 不同類型大科學裝置的地域分布

總體來看，我國大科學裝置分布較廣，僅少數省市尚未加入大科學裝置的建設或運行管理。89臺大科學裝置分布有較為明顯的集聚性，裝置數量較多的前五名分別為北京、上海、廣東、江蘇、四川，前4名均位于我國東部地區，主要也是由于這些省市擁有較強的經濟實力和科研實力。由表2可以看到，我國東部的北京、安徽、江蘇、上海、廣東，中部的四川、湖北較為重視大科學裝置；其次是新疆和黑龍江有較多的大科學裝置分布。大科學裝置的地域分布情況與該地區的地理環境、擁有的科研機構的數量、科研實力等因素具有較大關系。

對大科學裝置類型進行分析，目前我國的89臺大科學裝置中專用研究設施占比較高。可以看到，這些大科學裝置不同類型的分布特點較為明顯。從裝置總數來看，北京擁有運行或在建的大科學裝置較多，其次是上海、廣東、江蘇、安徽、湖北，其他地區的大科學裝置分布較為分散；從公共實驗設施數量分布來看，公共實驗設施較為集中的地區是上海，有上海光源、軟X射線自由電子激光裝置、硬X射線自由電子激光裝置等公共實驗設施的大科學裝置，意圖將建成世界級光子科學中心；從公益科技設施數量來看，北京、廣東、海南位列前三，位于我國較邊緣的黑龍江、西藏、新疆、云南在公益科技設施總量中占了較大的比例；從專用研究設施數量來看，東部的江蘇、北京、上海、廣東占據前列，其次是中部的四川、安徽、湖北等地區，大科學裝置的分布比較集中。

機構地域分布

對96臺大科學裝置的主導機構地域分布進行統計，發現其地域分布與裝置的不盡相同，即目前我國大科學裝置的主導機構主要分布在東部和中部，其中位于北京的主導機構的數量較多，我國西北地區如新疆、西藏幾乎沒有機構分布。大科學裝置的主導機構以科研院所和高等院校為主，因此大科學裝置的主導機構的分布與我國科技實力的地域分布息息相關。如圖2所示，北京、上海、江蘇、四川、安徽、廣東都擁有較強科研實力的機構，如北京的高能所、安徽合肥的中國科技大學，因此大科學裝置的主導機構主要集中于這些省市。

圖2 大科學裝置主導機構的地域分布

大科學裝置的領域分析

部署領域

參考《國務院關于印發國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012—2030年）的通知》，將收集的96臺大科學裝置的部署領域分為能源、生命、地球系統與環境、材料、粒子物理和核物理、空間和天文、工程技術7個科學領域，96臺大科學裝置以及不同類型的部署情況具體見表3。

從表3中可以看到，部署數量較高的是材料科學領域，有23臺，主要部署在“材料表征與調控”方向；其次是工程技術科學領域，有19臺，部署方向較廣泛，數量較多的部署方向為“水利工程”和“信息技術”；部署數量較低的是能源科學領域，有8臺，主要部署在“核能源”和“化石能源”兩個方向，基本集中在“核能源”。

結合大科學裝置的類型來看，專用研究設施部署領域較為廣泛，公共實驗設施涉及的部署領域較少。公共實驗設施數量較多的為材料科學領域，公共實驗設施在所有領域中占比65.4%，為多學科領域研究和應用提供實驗條件，多為光子科學的裝置，如同步輻射裝置、自由電子激光裝置；公益科技設施中數量較多的是地球系統與環境科學領域，有13臺，占比56.5%，主要部署于“現場探測與觀測”方向，涉及海洋、航空、地殼等范圍的觀測，例如“科學”號海洋科學綜合考察船、航空遙感飛機、中國地殼運動觀測網絡；專用研究設施部署領域較為分散，每個部署領域基本都有大科學裝置。

表3 96臺大科學裝置部署領域分布

應用方向分析

通過65臺處于運行狀態的大科學裝置，排除部分僅限于特定領域的研究，依據裝置官網、共享平臺以及其他網絡介紹收集的大科學裝置的基本情況，收錄了52臺裝置的應用方向。

大科學裝置是科學創新和基礎研究的重要設施，利用裝置可廣泛應用各個行業，通過對52臺裝置的應用方向進行統計，發現應用范圍涉及材料科學與工程、地球系統與環境科學、國防、空間與天文、粒子物理與核物理、能源、生命科學、信息技術、制造等多個方向，應用較多的前三個方向分別是地球系統與環境科學、材料科學與工程和生命科學，見圖3。

大科學裝置的合作分析

國際合作

中國大科學裝置的國際合作涉及兩種類型的合作，一種是與國內外機構共同建設、運行大科學裝置，另一種是指裝置運行后參與國際合作的研究項目。此處僅統計涉及國際合作的大科學裝置均為以中國為基地且由中國主導的項目，65臺在運行的大科學裝置中，國內外共同參與建設重大科技基礎設施項目的國際合作的裝置數量僅占總數約7.7%，可見目前我國大科學裝置主要是通過自行研制、建設。例如，收錄的大亞灣中微子實驗室屬于中國主導、多國參與的大科學工程項目；武漢國家生物安全實驗室則是中法合作的成果，是在2004年中法兩國元首直接見證和推動的《中法政府關于預防和控制新發傳染病合作協議》框架內的重大國際科技合作項目。

圖4 大科學裝置城市合作網絡

依據已知的65臺運行中的大科學裝置的信息，部分機構以大科學裝置為基礎參與國際合作的研究項目以及國際學術交流，參考已有的文獻資料，參與國際項目研究的大科學裝置的數量占比超過24.6%。合肥EAST托卡馬克與俄羅斯、法國、日本、韓國、德國、英國、丹麥以及ITER等世界主要聚變國家或組織保持良好合作關系；國家蛋白質科學中心（上海）與日本、韓國、以色列、俄羅斯、加拿大、英國、法國、歐盟等國家均有合作研究項目；利用2.16米望遠鏡，通過開展國際合作，曾在后發座11（11 Comae）紅巨星周圍發現質量為19個木星質量的褐矮星伴星，這是國際上在紅巨星周圍發現的第三顆褐矮星。

城市合作

利用Ucinet軟件對96臺大科學裝置涉及的建設與管理單位構建合作網絡關系并進行中心度分析，具體見圖4。其中，節點大小表示合作數量多少，連線粗細表示合作強度大小，下同。以涉及大科學裝置建設與管理的機構所在城市為基礎，分析我國城市關于大科學裝置的合作情況，僅涉及13個城市。96臺大科學裝置的城市合作網絡圖從整體看，主要以北京與其他城市合作為主，而其余城市以同省、同市合作為主。

機構合作

96臺大科學裝置涉及建設與管理的機構合作網絡圖如圖5所示，相關機構共計89家，有明顯的局部集聚現象。總體來看，89家機構中有56家參與合作，存在局部合作密度高、整體合作密度較稀疏的現象。從合作網絡中可以看到，大科學裝置合作上基本以中科院相關院所與高校、政府之間的合作為主。其中，教育部參與大科學裝置合作較多，交通運輸部、水利部、國家能源局南京水利科學研究院三家共同合作強度較大，合作較為頻繁。

根據以上分析，我國大科學裝置的分布特點鮮明，主要在中國科學院領導下建設與運營，分布的地域集中于北京、上海、廣東、四川、安徽等地，呈現出局部聚集、整體分散的分布模式。從類型看，我國大科學裝置呈現以專用研究設施為重心，公共實驗設施與公益科技設施并行的發展趨勢；從部署領域看，目前我國大科學裝置以材料、地球系統與環境和工程技術作為重點發展領域，空間與天文、粒子物理和核物理、能源和生命科學均衡發展。同時，通過對我國大科學裝置的現狀分析，發現一些問題仍有待解決。具體如下：

圖5 大科學裝置機構合作網絡

機構方面：目前我國參與大科學裝置研制、建設和管理的機構以科研單位為主，企業的參與度較少。一方面，大科學裝置需要大量資金投入，且其轉化為經濟效益周期長，一般企業難以承擔；另一方面，我國的大科學裝置依然以科學研究為主，裝置的成果多為論文和專利，而且目前我國的重大科技基礎設施真正實現經濟產出的量遠遠不及投入的成本，企業以盈利為經營目標，一般企業不愿投入一項明顯虧損的項目。

合作方面：我國重大設施的合作有待加強。排除需要多地建設形成網絡體系的裝置以外，國內的大科學裝置以同地合作為主。從交流角度，同地合作的溝通效率高，利于統籌協調共同完成目標，跨地區合作在交流、協調方面可能存在一定的障礙；從合作機會角度看，相比跨地區合作，同地的機構有較多的合作機會。另外，我國在國際合作方面依然比較薄弱，在參與合作交流的機會和合作參與程度均有待提高。

大科學裝置是體現國家創新體系的中堅力量，在相關的國家的重大科技基礎設施規劃政策指導下，我國在大科學裝置的建設及運營方面已取得不錯的成績。統計國內的大科學裝置，并且通過對我國的大科學裝置的現狀分析，了解我國重大設施的基本情況，有利于發現目前我國裝置存在的問題，對以后大科學裝置的規劃具有一定的借鑒意義。