国之重器：我国大科学装置发展现状探析

文 徐旻昕 王茜 刘秋芸

大科学装置在提升科技实力方面发挥着重要作用，有必要对我国的大科学装置的发展现状进行分析，以期为提高大科学装置的建设布局规划和运营效率提升提供帮助。

《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》提出，大科学装置的建设和运行“为科学前沿探索和国家重大科技任务开展提供了重要支撑”，推动我国“部分前沿方向的科研水平进入国际前列，“解决了一批关乎国计民生和国家安全的重大科技问题”，因而有必要对大科学装置进行研究，为提高我国大科学装置的建设与运行的效率提供借鉴。目前对大科学装置的研究主要集中于某个装置或者部分装置，鲜有对我国大科学装置的整体情况进行概括并且深入分析。因此，本文拟对我国大科学装置从类型、机构、地域、领域和合作五个维度进行分析，望对大科学装置现状有进一步的理解并且发现目前存在的问题。

大科学装置的意义

当今世界，科技已经成为体现国家竞争力的重要部分，全球各个国家纷纷发布大科学装置的规划路线图，加强资金投入，扩大建设规模，抢占未来科技发展制高点。

（1）科学价值方面，大科学装置支持科学研究的产出和突破。作为实现国家重大科学技术目标的大型综合研究设施，大科学装置在国家科技创新领域的发展发挥着重要作用。2009年的诺贝尔化学奖得主Ada Yonath，利用了包括ESRF、DESY、PSI等多个国家的多种同步辐射光源设施来完成系列研究。截至2019年4月底，上海光源通过十年的开放，首批线站累计为用户提供实验机时超过34万小时，执行通过专家评审的课题近13000个，已形成了我国相对稳定的高水平同步辐射用户群体，取得了一系列重要研究成果，涵盖生命科学、凝聚态物理、化学、材料、能源、环境、地质、考古等学科领域。用户已发表期刊论文约5000篇，其 中，《Science》《Nature》《Cell》三种顶级国际刊物的论文96篇，SCI-1区论文约1500篇。

（2）产出应用方面，大科学装置为技术创新和产业发展提供强大的动力。大科学装置与产业相结合，可以创造跨领域的技术创新。例如，兰州重离子研究装置属于粒子物理和核物理领域的研究装置，促进了结合其他领域产业技术的进步。在农业方面，中国科学院近代物理研究所（以下简称“近代物理所”）利用重离子装置的重离子束实施的诱变育种技术在培育新作物和新菌种都取得了较好的成绩。在医疗方面，近代物理所基于该设施在完成大量放射物理、放射生物学实验以及重离子治疗技术的基础上，于2006年开始重离子治疗肿瘤临床试验，到2013年底共进行了18批213例肿瘤患者的治疗，取得了显著疗效，使我国成为世界上第四个实现重离子束治疗肿瘤临床试验研究的国家。大科学装置结合研究与实际，有利于经济效益的提高。英国散裂中子源（ISIS）的管理机构科学技术设施协会2017年年报显示，围绕大科学装置展开基础研究与技术产业化，英国的能源费用比3年前降低了2%。劳斯莱斯、波音等公司也利用ISIS的谱仪设备，进行裂纹检测、残留应力等实验，在提高产品质量的同时降低了生产成本。

（3）国际合作方面，大科学装置在国际科技的竞争合作中扮演重要的角色。一方面，针对全球性的科学研究，仅仅依赖单个国家难以实现大科学的目标。例如天文领域的黑洞研究，事件视界望远镜（EHT）合作组织协调全球六地进行观测，并历时两年的数据整理，方才获得第一个黑洞的视觉证据。另一方面，事关人类共同利益和长远发展的科技领域，联合共建与合作研究越来越成为发展大科学装置的重要方式。国家拥有大科学装置的数量和质量一定程度上展现了国家的科技竞争力，决定着在国际科技竞争合作中能否赢得主动权。

大科学装置的类型分析

本研究中的大科学装置相关数据主要源于期刊文献、政府文件、中国科学院重大科技基础设施共享服务平台、长三角科技资源共享服务平台以及大科学装置官网等，采集时间截至2019年4月底，通过对科学装置的类型、机构分布、地域分布、领域分布及合作分析进一步了解我国大科学装置的发展现状。

据统计，目前我国运行、在建以及准备中的大科学装置共计96台，以下对这些大科学装置的类型进行分析。

本研究依据中科院重大科技基础设置设施共享平台中的分类规则，将大科学装置分为3类：1）专用研究设施。指为实现特定学科领域的重大科学技术目标而建设的大型研究设施，如北京正负电子对撞机、兰州重离子研究装置。2）公共实验设施。指为多学科领域的基础研究、应用研究服务的大型设施，具有强大的支持能力，如上海光源、合肥同步辐射装置。3）公益科技设施。主要指是为国家的经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据的大型设施，如中国遥感卫星地面站、长短波授时系统、中国西南野生生物物种种质资源库。

96台大科学装置按类型划分如表1所示。总体来看，我国大科学装置中专用研究设施数量占比为49.0%，呈现出以专用研究设施为建设重点，公共实验设施和公益科技设施并进的发展模式。统计的大科学装置可分为运行（包含边建设边运行状态）、在建和准备中三种状态，运行中的装置有65台，占比为67.7%，可见以运行中的设施为主体。另外，边建设边运行的装置为高海拔宇宙线观测站（LHAASO），2018年正式开工，2019年即已投入探测器进行科学观测。

表1 中国大科学装置的类型分布

大科学装置的机构分析

大科学装置的建设过程中有时涉及法人单位与多个共建单位并存、建设单位与日常运营管理单位不统一的情况，为了便于统计分析，本研究仅统计大科学装置的主导机构，即以法人机构或管理运行机构为依据选择主导机构（下同）。将机构类型按科研院所、高等院校、政府机关、企业和事业单位对96台大科学装置进行分类。从图1中可以看到，我国大科学装置的主导机构数量较多的为科研院所，其次为高等院校，两者总和占比92.7%。由于大科学装置一般是国家性的大型设施，通常由政府机关作为建设大科学装置的主管机构，但是此处统计的政府机关是指直接负责一台大科学装置的建设、运行的机构，仅占4.2%。对大科学装置机构类型统计发现，拥有大科学装置数量较多的机构是中国科学院高能物理研究所（以下简称“高能所”），主导的建设或运行的大科学装置达9台，参与的大科学装置建设与运行的大科学装置为4台，涉及大科学装置数量共计12台。

图1 中国大科学装置所属机构分类

大科学装置的地域分析

对大科学装置所在地域进行分析，分别对大科学装置和其所属的机构的地域分布进行分析，以便比较两者存在的差异，加深对大科学装置地域分布方面的认识。为排除部分未开工且尚未确定装置地址的干扰，此处仅统计在建和运行的89台大科学装置。

装置地域分布

表2 不同类型大科学装置的地域分布

总体来看，我国大科学装置分布较广，仅少数省市尚未加入大科学装置的建设或运行管理。89台大科学装置分布有较为明显的集聚性，装置数量较多的前五名分别为北京、上海、广东、江苏、四川，前4名均位于我国东部地区，主要也是由于这些省市拥有较强的经济实力和科研实力。由表2可以看到，我国东部的北京、安徽、江苏、上海、广东，中部的四川、湖北较为重视大科学装置；其次是新疆和黑龙江有较多的大科学装置分布。大科学装置的地域分布情况与该地区的地理环境、拥有的科研机构的数量、科研实力等因素具有较大关系。

对大科学装置类型进行分析，目前我国的89台大科学装置中专用研究设施占比较高。可以看到，这些大科学装置不同类型的分布特点较为明显。从装置总数来看，北京拥有运行或在建的大科学装置较多，其次是上海、广东、江苏、安徽、湖北，其他地区的大科学装置分布较为分散；从公共实验设施数量分布来看，公共实验设施较为集中的地区是上海，有上海光源、软X射线自由电子激光装置、硬X射线自由电子激光装置等公共实验设施的大科学装置，意图将建成世界级光子科学中心；从公益科技设施数量来看，北京、广东、海南位列前三，位于我国较边缘的黑龙江、西藏、新疆、云南在公益科技设施总量中占了较大的比例；从专用研究设施数量来看，东部的江苏、北京、上海、广东占据前列，其次是中部的四川、安徽、湖北等地区，大科学装置的分布比较集中。

机构地域分布

对96台大科学装置的主导机构地域分布进行统计，发现其地域分布与装置的不尽相同，即目前我国大科学装置的主导机构主要分布在东部和中部，其中位于北京的主导机构的数量较多，我国西北地区如新疆、西藏几乎没有机构分布。大科学装置的主导机构以科研院所和高等院校为主，因此大科学装置的主导机构的分布与我国科技实力的地域分布息息相关。如图2所示，北京、上海、江苏、四川、安徽、广东都拥有较强科研实力的机构，如北京的高能所、安徽合肥的中国科技大学，因此大科学装置的主导机构主要集中于这些省市。

图2 大科学装置主导机构的地域分布

大科学装置的领域分析

部署领域

参考《国务院关于印发国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）的通知》，将收集的96台大科学装置的部署领域分为能源、生命、地球系统与环境、材料、粒子物理和核物理、空间和天文、工程技术7个科学领域，96台大科学装置以及不同类型的部署情况具体见表3。

从表3中可以看到，部署数量较高的是材料科学领域，有23台，主要部署在“材料表征与调控”方向；其次是工程技术科学领域，有19台，部署方向较广泛，数量较多的部署方向为“水利工程”和“信息技术”；部署数量较低的是能源科学领域，有8台，主要部署在“核能源”和“化石能源”两个方向，基本集中在“核能源”。

结合大科学装置的类型来看，专用研究设施部署领域较为广泛，公共实验设施涉及的部署领域较少。公共实验设施数量较多的为材料科学领域，公共实验设施在所有领域中占比65.4%，为多学科领域研究和应用提供实验条件，多为光子科学的装置，如同步辐射装置、自由电子激光装置；公益科技设施中数量较多的是地球系统与环境科学领域，有13台，占比56.5%，主要部署于“现场探测与观测”方向，涉及海洋、航空、地壳等范围的观测，例如“科学”号海洋科学综合考察船、航空遥感飞机、中国地壳运动观测网络；专用研究设施部署领域较为分散，每个部署领域基本都有大科学装置。

表3 96台大科学装置部署领域分布

应用方向分析

通过65台处于运行状态的大科学装置，排除部分仅限于特定领域的研究，依据装置官网、共享平台以及其他网络介绍收集的大科学装置的基本情况，收录了52台装置的应用方向。

大科学装置是科学创新和基础研究的重要设施，利用装置可广泛应用各个行业，通过对52台装置的应用方向进行统计，发现应用范围涉及材料科学与工程、地球系统与环境科学、国防、空间与天文、粒子物理与核物理、能源、生命科学、信息技术、制造等多个方向，应用较多的前三个方向分别是地球系统与环境科学、材料科学与工程和生命科学，见图3。

大科学装置的合作分析

国际合作

中国大科学装置的国际合作涉及两种类型的合作，一种是与国内外机构共同建设、运行大科学装置，另一种是指装置运行后参与国际合作的研究项目。此处仅统计涉及国际合作的大科学装置均为以中国为基地且由中国主导的项目，65台在运行的大科学装置中，国内外共同参与建设重大科技基础设施项目的国际合作的装置数量仅占总数约7.7%，可见目前我国大科学装置主要是通过自行研制、建设。例如，收录的大亚湾中微子实验室属于中国主导、多国参与的大科学工程项目；武汉国家生物安全实验室则是中法合作的成果，是在2004年中法两国元首直接见证和推动的《中法政府关于预防和控制新发传染病合作协议》框架内的重大国际科技合作项目。

图4 大科学装置城市合作网络

依据已知的65台运行中的大科学装置的信息，部分机构以大科学装置为基础参与国际合作的研究项目以及国际学术交流，参考已有的文献资料，参与国际项目研究的大科学装置的数量占比超过24.6%。合肥EAST托卡马克与俄罗斯、法国、日本、韩国、德国、英国、丹麦以及ITER等世界主要聚变国家或组织保持良好合作关系；国家蛋白质科学中心（上海）与日本、韩国、以色列、俄罗斯、加拿大、英国、法国、欧盟等国家均有合作研究项目；利用2.16米望远镜，通过开展国际合作，曾在后发座11（11 Comae）红巨星周围发现质量为19个木星质量的褐矮星伴星，这是国际上在红巨星周围发现的第三颗褐矮星。

城市合作

利用Ucinet软件对96台大科学装置涉及的建设与管理单位构建合作网络关系并进行中心度分析，具体见图4。其中，节点大小表示合作数量多少，连线粗细表示合作强度大小，下同。以涉及大科学装置建设与管理的机构所在城市为基础，分析我国城市关于大科学装置的合作情况，仅涉及13个城市。96台大科学装置的城市合作网络图从整体看，主要以北京与其他城市合作为主，而其余城市以同省、同市合作为主。

机构合作

96台大科学装置涉及建设与管理的机构合作网络图如图5所示，相关机构共计89家，有明显的局部集聚现象。总体来看，89家机构中有56家参与合作，存在局部合作密度高、整体合作密度较稀疏的现象。从合作网络中可以看到，大科学装置合作上基本以中科院相关院所与高校、政府之间的合作为主。其中，教育部参与大科学装置合作较多，交通运输部、水利部、国家能源局南京水利科学研究院三家共同合作强度较大，合作较为频繁。

根据以上分析，我国大科学装置的分布特点鲜明，主要在中国科学院领导下建设与运营，分布的地域集中于北京、上海、广东、四川、安徽等地，呈现出局部聚集、整体分散的分布模式。从类型看，我国大科学装置呈现以专用研究设施为重心，公共实验设施与公益科技设施并行的发展趋势；从部署领域看，目前我国大科学装置以材料、地球系统与环境和工程技术作为重点发展领域，空间与天文、粒子物理和核物理、能源和生命科学均衡发展。同时，通过对我国大科学装置的现状分析，发现一些问题仍有待解决。具体如下：

图5 大科学装置机构合作网络

机构方面：目前我国参与大科学装置研制、建设和管理的机构以科研单位为主，企业的参与度较少。一方面，大科学装置需要大量资金投入，且其转化为经济效益周期长，一般企业难以承担；另一方面，我国的大科学装置依然以科学研究为主，装置的成果多为论文和专利，而且目前我国的重大科技基础设施真正实现经济产出的量远远不及投入的成本，企业以盈利为经营目标，一般企业不愿投入一项明显亏损的项目。

合作方面：我国重大设施的合作有待加强。排除需要多地建设形成网络体系的装置以外，国内的大科学装置以同地合作为主。从交流角度，同地合作的沟通效率高，利于统筹协调共同完成目标，跨地区合作在交流、协调方面可能存在一定的障碍；从合作机会角度看，相比跨地区合作，同地的机构有较多的合作机会。另外，我国在国际合作方面依然比较薄弱，在参与合作交流的机会和合作参与程度均有待提高。

大科学装置是体现国家创新体系的中坚力量，在相关的国家的重大科技基础设施规划政策指导下，我国在大科学装置的建设及运营方面已取得不错的成绩。统计国内的大科学装置，并且通过对我国的大科学装置的现状分析，了解我国重大设施的基本情况，有利于发现目前我国装置存在的问题，对以后大科学装置的规划具有一定的借鉴意义。