专用研究设施型大科学装置的科技成果转化路径探析＊

■ 王玉华 郭红燕 刘瓒

1.中国科学院合肥物质科学研究院 合肥 230031

2.中国科学院合肥技术创新工程院 合肥 230088

0 引言

大科学装置是指通过较大规模投入和工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，实现重要科学技术目标的大型设施。按不同的应用目的，大科学装置可分为3 类：第1 类是专用研究设施型，为特定学科领域的重大科学技术目标建设的研究装置，如兰州重离子加速器、全超导托卡马克装置等；第2类是公共实验平台型，为多学科领域的基础研究、应用基础研究和应用研究服务，具有强大支持能力的大型公共实验装置，如上海光源、散列中子源等；第3 类是公益基础设施型，为国家经济建设、国家安全和社会发展提供基础数据的重大基础科学技术设施，如子午工程、“科学”号海洋科考船等[1]。

通过对现有文献的梳理，我们发现对大科学装置的产业化研究较多，如：张玲玲、白雪等研究了依托大科学装置进行产业化的5 大关键因素，即设立产业化促进部门、硬件保障、人才引进与培养、资金支持、宣传与用户培养[2]，邢超以大科学工程为例研究了创新链与产业链结合的有效组织方式，认为大科学工程通过产业的确定性来牵引组织创新链中的不确定性，提出了创新链和产业链有效结合的政策建议[3]，梁永福等以广东大科学中心为例，研究了大科学装置集群的协同创新效应与产业带动作用机理，提出了广东大科学中心带动广东产业发展的领域和建议[4]，侯和爽分析了我国参与ITER 计划产业链企业的情况，提出了大科学装置产业链构建的建议[5]，胡伟等研究了我国现有公共实验平台类大科学装置情况，研究了我国大科学装置运行管理存在的3 个问题，提出了产业融合机制的4 点建议[6]，尚智丛、赵凯以北京正负电子对撞机为例，分析了装置论文与专利产出，提出了正负电子对撞机科技成果转化的3 种基本模式：社会化合作、承接研制任务、参股高新企业[7]，张玲玲、赵道真等研究了国外3大散裂中子源成果产业化的4种模式，并对我国散裂中子源技术产业化提出了四点建议[8]，李斌、李思琪总结了兰州重离子加速器成果产业化的经验：社会效益、区域平衡、政府扶持、地方特色[9]。从现有的研究者来看，主要是高校老师、在读研究生，对大科学装置的实际建设和运行了解不够深入；从概念界定来看，研究大科学装置产业化（工业化）的较多，研究成果转化的很少，把产业化等同与成果转化，概念界定不清；从研究内容来看，把3类大科学装置合在一起研究的居多，没有考虑3 种类型大科学装置在科学目标实现和成果转化方式方面的差别，对实际转化工作的指导性不强。

专用研究设施型大科学装置为特定学科领域的重大科学技术目标建设的研究装置，不仅建设、运行、成果产出都有别于其他两类大科学装置，而且在成果转化方面与其他两类装置也有许多不同之处，国内外目前这方面的细分研究还很少，本文重点聚焦专用研究设施型大科学装置，以我国自主设计、建造、运行的全超导托卡马克装置和兰州重离子加速器为例，结合笔者在大科学装置所在单位从事成果转化的实践，对专用研究设施型大科学装置成果转化的路径进行梳理和总结，为此类大科学装置后续的成果转化、发挥更大的经济价值提供参考和建议。

1 全超导托卡马克装置和兰州重离子加速器的建设、运行情况

全超导托卡马克核聚变实验装置简称EAST，由“Experimental”、“Advanced”、“Superconducting”、“To‐kamak”4 个单词首字母组成，EAST 是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克试验装置，该装置1998年立项，由中科院合肥物质科学研究院等离子体物理所（以下简称等离子所）负责建设和运行，2007年该装置建成并通过国家验收，开始正式运行，2008年荣获国家科技进步一等奖。它的建成使中国成为世界上仅有的几个拥有这种类型托卡马克装置的国家，使中国这方面研究进入世界前沿。近年来，EAST 研究进展多次打破世界纪录：2016年，EAST在国际上首次实现中心电子温度超过5000 万度运行；2017年，在国际上首次实现了等离子体持续放电101.2 秒的高约束运行，实现了从60 秒到百秒量级的跨越；2018年，EAST 又首次实现了1 亿度等离子体放电，标志我国磁约束核聚变研究持续走在国际前列[10]。EAST 装置的主机部分高11 米，直径8 米，重400 吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等6 大部件组成。EAST 运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求，其建设和运行涉及多学科，许多关键技术和部件在国际上尚属空白，需要自主攻关和研发。

兰州重离子加速器（Heavy Ion Research Facility in Lanzhou,HIRFL）是由中科院近代物理所（简称近物所）建设、运行的用于重离子科学技术前沿的专用研究设施，是我国规模最大、加速离子种类最多、能量最高的重离子研究装置，主要技术指标达到国际先进水平。HIRFL 由电子回旋共振离子源、扇聚焦回旋加速器、分离扇回旋加速器、放射性束流线、冷却储存环主环和实验环等主要设施组成。HIRFL 的前身是国家“一五”计划156个苏联援建项目之一，由苏联援建中国一台1.5米回旋加速器，建成后为我国氢弹研制做出了重要贡献。为了发展我国核科学技术，使重离子核物理研究尽快进入国际先进行列，1985年，近物所承担了国家“七五”计划重大科学工程——分离扇回旋加速器，2007年，国家“九五”计划重大科学工程——兰州重离子加速器冷却储存环建成并运行，主要技术指标达到国际先进水平，获得了2009年中科院杰出科技成就奖[11]。在装置建设、运行过程中，近物所发展了超导、低温、真空、微波、精密磁铁制造等一批高技术，在产业化方面也取得了重要进展。

2 专用研究设施型大科学装置成果转化路径

2015年修订通过的《中华人民共和国促进科技成果转化法》对“科技成果转化”的界定是：为提高生产力水平而对科技成果所进行的后续试验、开发、应用、推广直至形成新技术、新工艺、新材料、新产品，发展新产业等活动[12]。通过对EAST 和HIRFL 建设、运行以来的成果转化的研究和分析，大致形成了如下几条路径：

路径一：依托大科学装置的先进实验条件，研究所围绕某个应用方向持续开展基础研究和应用研究，研究成果达到一定成熟度后，吸引社会资本投资示范，研究所控股企业开拓市场、主导转化。

在认识到重离子束辐照的生物学效应后，1993年，近物所开始在HIRFL 装置上开展重离子治癌技术基础研究和应用研究，在基础研究取得突破后，近物所从2006年开始重离子束临床治疗试验研究，截至2013年底累计试验治疗213例肿瘤患者，包括脑肿瘤、头颈部肿瘤等常规疗法难以实施治疗的癌症，取得了明显的疗效，使我国成为继美、日、德之后世界上第四个实现重离子束临床治疗的国家。通过重离子加速器的建设和应用研究，近物所培养了一支高水平的重离子束治疗研究和治疗装置研制人才队伍，申报了60余项具有核心竞争力和自主知识产权的发明专利，与此同时，近物所和所办企业——科近泰基新技术有限公司具备了自主研发重离子治癌专用装置的实力。但是，重离子治癌专用装置单套成本为5～6 亿元，且需要有临床医院愿意来尝试和配合，大额的资金投入和长周期的医疗器械审批流程让产业化工作面临巨大的挑战。

2012年，在武威市政府的支持下，甘肃荣华集团投资建设武威重离子治疗中心，并且由甘肃荣华集团整体接管甘肃省武威肿瘤医院为医疗服务配套机构，由近物所提供技术、科近泰基公司负责国内首台重离子治癌设备的研制和安装调试，整个项目占地3000 亩，总投资约16 亿元。2014年9月，重离子治癌装置大楼成功封顶，10月，由近物所及科近泰基公司自主设计、制造的重离子肿瘤治疗示范装置加速器调试成功，2017年，示范装置获得国家生态环境部辐射许可证，2018年示范装置进入正式临床试验，2019年，示范装置获得国家注册许可和配置许可，2020年4月，示范装置在武威肿瘤医院正式开诊，截至2020年7月已成功治疗患者100例，接受2000人预约[13]，标志着重离子治癌装置成果转化和国产化取得成功。据科近泰基公司官网显示：科近泰基公司已相继与兰州肿瘤医院、武汉市汉南区人民医院、浙江省肿瘤医院、福建中科核医学科技有限公司签署商务采购合同，进行重离子治癌装置的设计、制造和调试，按每套装置5.5亿元计算，科近泰基公司已签下近28亿元的订单，标志着重离子治癌产业化工作迈开了步伐。

路径二：依托大科学装置建设、运行中掌握的核心技术，与地方政府“无中生有”打造新兴产业的思路高度契合，研究所与地方政府合作成立公司，推动核心技术转化。

EAST 作为自主研发的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置，在建造过程中攻克了诸多技术难题，创造了多个国内乃至世界第一，催生出一批高新技术，如低温技术、超导技术。据不完全统计，在EAST建设和运行中，发展了68项关键及新技术，自主研发部分超过90% ，如：铠装电缆超导导体是EAST 的核心部件，为满足装置需要，合肥物质院等离子所研制了35千米的大电流铠装电缆超导导体，全面提升了我国大型超导磁体设计、制造、测试能力，进入国际先进行列。

2015年，合肥市谋划新兴产业领域，拟“无中生有”打造高端医疗装备研发、生产基地，刚开始想引进兰州的重离子治癌装备作为突破口，后与合肥物质院多次沟通交流，决定放弃重离子治癌设备，走差异化路线，依托合肥物质院的先进超导技术大力发展超导质子治癌装备。2016年，合肥物质院与合肥市政府达成合作协议，共同开展超导质子治疗高端医疗设备的研发与产业化。双方合作共建合肥离子医学中心，从国外引进一套验证治疗装置；双方合作成立中科离子医学装备公司，开展自主知识产权的SC200 超导质子治癌装备的研发与国产化。中科离子医学装备公司总注册资本4 亿元，合肥市通过产投公司现金出资2.8 亿元，占70%；合肥研究院发明专利作价1.2 亿元，占30%。2017年5月，质子治疗系统部分关键部件——超导磁体、降能器系统、射频腔研、测成功；2018年6月，质子治疗系统核心部件——正负185 度旋转机架研、测成功；2019年7月，核心部件超导回旋加速器研制成功，系统开始总装；2020年10月，系统取得生态环境部辐射许可证；2020年12月，自主研制的最紧凑型超导回旋质子加速器引出质子束流[14]，成果转化工作初战告捷，接下来将进行肿瘤病人的临床试验。一旦临床试验成功，被批准为临床使用的高端治癌装备，将在合肥形成百亿乃至千亿级战略性新兴产业。

路径三：依靠在大科学装置建造、运行、升级过程中掌握的关键核心技术、培养的技术人才、积累的丰富经验，竞标国外大科学装置的核心部件及其他高难度高精度研制采购任务。

大科学装置是一个复杂的科技巨系统，涵盖了多学科、多领域的高、精、尖技术，尤其是世界唯一或国际先进的大科学装置，在其建造过程中肯定会攻克众多的关键核心技术，这些关键核心技术有的打破了国际技术封锁、有的是国际领先的“人无我有”，同时，培养了一批掌握核心技术的人才队伍。这些独特的人才和技术资源，使大科学装置依托单位在国际相关高精尖非标产品和设备的竞标中获得了独特的竞争优势，也取得了丰厚的效益回报，成为大科学装置成果转化的一条重要路径，

国际热核聚变实验堆计划（简称ITER 计划）是当今世界规模最大、影响最深远的国际大科学工程之一，该计划由中国、欧盟、俄罗斯、美国、日本、韩国和印度等7方30多个国家共同合作。作为ITER中国工作组的主要依托单位之一，中科院合肥研究院承担了ITER 计划中国采购包的绝大部分研发任务，依靠自主创新为ITER计划的顺利推进做出了重要贡献。此外，依托掌握的聚变工程核心技术，向欧美等发达国家提供聚变技术产品和服务，在实现我国聚变技术产业发展的同时，有力推动了国际聚变工程技术的发展，提升了国际竞争力和国际影响力。如：通过国际竞标赢得欧盟承担的ITER 计划PF6 项目合同（注：PF6 线圈本应由欧盟研制提供，但由于技术问题提供不了，因而全球招标）。总重超过400吨、外径超过11 米的PF6 线圈于2019年研制成功，2020年6月底PF6 顺利抵达交ITER 所在地(图1)。PF6 线圈是ITER 装置主机的最重要部分之一，是目前国际上研制成功的重量最大、难度最高的超导磁体。PF6 线圈的成功制造不仅打破了发达国家在这一领域的技术壁垒，生产设备实现了全国产化，同时还发展和完善了超导磁体制造的标准和相关规范[15]。

图1 ITER PF6线圈顺利通过最终验收测试

2019年，中科院合肥研究院等离子体所与中核集团所属单位等组成的中法联合体，通过国际竞标赢得ITER主机TAC1安装工程。TAC1安装标段工程是ITER 主机最重要的核心设备安装工程，其重要性相当于核电站的反应堆、人体里的心脏。现场装配的部件数以万计，精度要求高，标准严苛，项目合同数十亿元。

2020年12月，等离子体所参与德国ASDEX Up‐grade核聚变装置高功率ICRF射频发射机项目采购全球竞标并成功中标，顺利与德国马普等离子体物理研究所签署了项目合同。这是继2019年承接ITER ICRF 高频馈口采购包后再次赢得欧洲聚变装置部件研制合同。

2016年4月，近物所科近泰基公司为美国密歇根州立大学成功研制出第一台“Q1室温电磁铁”，该磁铁的成功研制将为后期项目奠定坚实的基础。此外，近物所及其控股公司还利用自身的技术和人才为瑞士PSI 研究所、德国GSI 研究所、美国AIBT 公司等国外客户研制了多种规格的高精度叠装脉冲电磁铁。

路径四：以大科学装置建设、运行、专项研究过程中形成的知识产权作价，吸引社会资本方现金投资，共同成立产业化公司，加速科技成果的产业化和市场推广。

以大科学装置建设为主的研究所，主要精力集中在装置的建设、运行和科技目标的实现，即使形成了一些可以转化的应用型成果，也由于缺乏相应的激励和资金投入而束之高阁。2015年，《中国人民共和国促进科技成果转化法》修订颁布后，极大激发了科研院所和科研人员转化的积极性，加之国家倡导“大众创业、万众创新”，社会资本也在积极寻找可以转化的高新技术。

在此背景下，中科院合肥研究院等离子体所近年以知识产权作价，与社会资本合作成立了多家产业化公司：2015年，以“一种新型大气压射流冷等离子发生器”实用新型专利与社会资本成立了中科新天地环保科技公司，利用低温等离子技术处理挥发性有机污染物和恶臭气体；2017年，以“一种液氦零损耗生物样本低温储存装置”发明专利与社会资本成立了基点联科（上海）医疗器械公司；2018年，以“水等离子体炬处理有机废水装置与方法”发明专利与社会资本成立了中科四维等离子体公司；2019年，以“一种HCN 激光干涉仪高速中频调制系统”发明专利与社会资本共同成立了中科途维公司……知识产权作价入股到公司后，所获得的股权70%奖励给技术发明人团队，30%留归单位，充分调动了科研人员和研究所的积极性，社会资本看中技术后，也加大投入、开拓市场，目前几家公司发展势头良好。

路径五：利用大科学装置建造和运行中掌握的优势技术为社会企业解决“卡脖子”技术难题，以此为基础，拓宽合作广度和深度，包括共同成立联合实验室、由企业出资进行应用技术研发和成果孵化等。

大科学装置的科学技术目标是面向国际科学技术前沿，因此大科学装置一般都有许多极端的试验条件，如EAST 运行需要的极限条件包括：超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空芯部上亿度高温、线圈中零下269 度低温等，这些极限条件给EAST 装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的苛刻要求，也因此催生出一批过硬的高技术，有些高技术恰恰是先进制造领域的高端企业迫切需要的。

安徽应流集团是高端装备核心零部件行业极少数具备核电、航空产品国内和国际制造资质的企业，产品应用于航空航天、核电能源、石油天然气等高端装备领域。为了加工高端铸件，应流集团斥资3 亿元购进了我国最大的热等静压机，热等静压机是典型高端铸造装备，准确快速温度、压力控制是其核心技术，其最高温度达2000 ℃，最高压力达200MPa，最高功率达5000kW。在试生产阶段，由于电压剧烈波动、低频谐振严重，不仅波动高于国家标准的限值6 倍，造成4 台大型真空炉跳闸，而且导致生产中高端铸件报废，单次损失400万元以上，国际知名企业提供的设备解决不了问题，国内2家领域内上市公司对解决应流的难题没有把握，在多方打听找到中科院合肥研究院等离子所的电源及控制研究室后，他们提出的“三相调制负荷综合校正方案”，解决了热等静压负荷无功冲击大、谐波频谱复杂、不平衡和波动严重的技术难题，为企业挽回了几千万元的损失，研究所通过技术开发和服务，获得了来自企业的几百万元的横向项目经费，反哺科研开发。为了深化合作，2020年8月，中科院合肥研究院与应流集团成立了“极端环境材料与特种工艺联合实验室”，启动了“高端热处理三相调制负荷综合校正装置”等首批6 个创新研究和成果转化项目。

3 专用研究设施型大科学装置五条成果转化路径的优势和不足

前面通过案例总结了专用研究设施型大科学装置成果转化的五条不同路径，进一步研究可以发现，每条路径都有各自的优势和不足（表1）：

表1 各种转化路径的优势和不足

“路径一”是依托大科学装置的先进实验条件，大科学装置依托单位围绕某个应用方向持续开展基础研究和应用研究，研究成果达到一定成熟度后，吸引社会资本投资示范，研究所控股企业开拓市场、主导转化。该路径的优点是大科学装置依托单位围绕某个应用方向（如重离子治疗癌症）持续、深入开展研究，通过长期（几年、十几年甚至几十年）的试验、技术熟化，技术的成熟度、先进度不断提高，距离市场转化的距离越来越近；但是，此类成果由于技术门槛高，研发时间长，导致成果转化周期长，投入回报的周期也长；如果研究所坚持自主转化，不愿意与社会资本合作（害怕核心技术流失），那么就会面临转化资金不足、动力不足的困境，导致好的技术和成果难以顺利转化。

“路径二”是依托大科学装置建设、运行中掌握的核心技术，与地方政府“无中生有”打造新兴产业的思路高度契合，研究所与地方政府合作成立公司，推动核心技术转化。该路径的优点是地方政府看好技术的市场前景，看好技术对区域产业的带动，地方政府愿意出资进行转化，因此能够得到资金、政策、土地方面的大力支持，成果转化周期大大缩短；但是，由于是地方政府“无中生有”打造新兴产业，新兴产业需要的关键核心技术尽管在大科学装置建设、运行中有研发，但不一定有很高的成熟度，需要新公司熟化和进一步试验验证，会面临着转化能否成功的风险；另外，此类技术和成果还面临国内外不同技术路线和产品的竞争，存在投资风险和市场风险。

“路径三”是依靠在大科学装置建造、运行、升级过程中掌握的关键核心技术、培养的技术人才、积累的丰富经验，竞标国外大科学装置的核心部件及其他高难度高精度研制采购任务。该路径的优势是技术转化见效快，只要成功中标就能实现转化，另外，由于国外的大科学装置在本国找不到合适的核心部件供应商，才会进行全球招标，技术门槛高，相应的招标价格也很高，只要中标，大科学装置依托单位的成果转化收益也高；但是，国外客户采购的技术或部件标准严苛、验收程序复杂、验收周期长，有的客户需要中标方先垫资，产品验收通过后再付款，因此会面临一定的合同风险。

“路径四”是以大科学装置建设、运行、专项研究过程中形成的知识产权作价，吸引社会资本方现金投资，共同成立公司，加速科技成果的产业化和市场推广。该路径的优势是具备自主知识产权的有市场前景的技术容易获得社会资本投资，解决“第一桶金”的问题，单位通过股权激励能激发技术发明人和技术团队成果转化的积极性，促使技术快速转化；不足之处是知识产权作价形成的股权变现周期长，短期内公司难以盈利，也很难获得股权分红，单位和技术团队容易失去耐心，另外，新成立的公司还会面临市场开拓、经营不善而倒闭的风险。

“路径五”是利用大科学装置建造和运行中掌握的优势技术为社会企业解决“卡脖子”技术难题，以此为基础，拓宽合作广度和深度，包括共同成立联合实验室、由企业出资进行应用技术研发和成果孵化等。该路径的优点是只要找到了技术需求的企业和用户，大科学装置技术能快速转化，依托单位能快速产生经济效益；不足之处是大科学装置依托单位与企业直接往往信息不对称，好的技术不一定能找到合适的应用场景和应用企业。

4 进一步畅通专用研究设施型大科学装置成果转化路径的建议

通过以上研究，我们可以发现，每条转化路径都有优势和不足，都有相应的适用条件，都存在阻碍畅通的“梗阻”，为此，我们结合实际，提出了进一步畅通专用研究设施型大科学装置成果转化路径的几条建议：

（1）加大国家政策的激励考核力度。在国家政策层面，建议大科学装置的主管部门把专用研究设施型大科学装置的成果转化成效作为定期（如5年）考核的指标之一，赋予相应的权重，根据考核结果兑现运行经费或给予相应的奖补，进一步激发大科学装置依托单位成果转化的内生动力。

（2）大科学装置所在地政府应重视大科学装置的经济和社会效益，提早谋划和支持。对装置所在地的省、市（县）政府来说，应尽早意识到专用研究设施型大科学装置的经济和社会效益，关心装置的科学成果产出及应用性成果产出，尤其是高精尖的成果，在充分论证评估的基础上，要有风险投资的意识，敢于“大手笔投资”，争取本地转化，创造先发优势。

（3）大科学装置依托单位要制定和完善成果转化人才的激励、考核、岗位管理等相关办法，激发科研人员的积极性。对大科学装置的建设、运行单位来说，在做好装置建设、运行的同时，还应处理好成果转化中“人”的问题，包括以应用性成果研发和转化为主的科研人员考核、职称评聘问题，还包括派驻到作价入股公司工作的人员身份管理、工资待遇、绩效考核、职称晋升等问题，“人”的问题，越来越成为大科学装置成果转化需要重点关注的问题。

（4）进一步做好专用研究设施型大科学装置成果的分类管理和评价。从表1 可以看出，不同类型的科技成果其适合的转化路径是不同，对专用研究设施型大科学装置成果转化部门来说，应进一步做好科技成果的分类，并对每个成果从成熟度、创新度、先进度等方面进行标准化评价（注：科技部目前已进行了两期科技成果标准化评价试点），并加大成果推介宣传，让不同类型的技术和成果匹配到最合适的转化路径。