俄罗斯大科学装置建设：进展、特征与启示*

华 盾 范唯唯 贾晓琪 祁子泷

（1.上海外国语大学上海全球治理与区域国别研究院，上海 201600；2.中国科学院科技战略咨询研究院，北京 100190）

大科学装置对科技进步的先导作用、对经济社会发展的溢出效应、对国家竞争力的战略意义，已成为国际科学界、政策界、战略界的基本共识。在技术经济领域拥有一定能力和动机的国家及地区，纷纷将大科学装置建设与发展纳入科技创新政策当中，作为基础科学传统强国的俄罗斯也不例外。在俄罗斯遭遇西方技术经济制裁背景下，以中国技术经济和对外关系发展的长远利益为立足点，研究俄罗斯大科学装置的建设与发展对我国重大科学基础设施发展具有现实的借鉴意义。本文从界定概念入手，追踪俄罗斯大科学装置建设进展，总结其特征、经验与教训，以期为我国重大科技基础设施的规划、管理以及国际竞合提供参考。

1 俄罗斯大科学装置的概念与政策

1.1 概念内涵与外延

大科学装置在俄罗斯实际被称作“大科学类特种科学装置”，属于俄罗斯三种科技基础设施类型之一，另外两类分别是“科学设备集体使用中心”和“特种科学装置”［1］。截至2022年6月，俄罗斯共有658个集体使用中心、402个特种科学装置和7个大科学装置（表1）。俄罗斯的大科学装置曾一度被称为“科学大项目”（научный мегапроект），直 到2016年12月1日 颁 布 的《2017—2025年俄罗斯联邦科技发展战略》，“大科学”（Megascience）这一国际通用的概念才首次出现在俄罗斯官方话语中。

表1 俄罗斯国内大科学装置信息Tab．1 Information of Russian Megascience Facilities

俄罗斯大科学装置概念的外延较为狭窄，而内涵较为明确。所谓“大科学类特种科学装置”即是具有科学外交属性的特种科学装置。虽然目前俄罗斯官方尚无对大科学装置的明确定义，但通过考察俄国内政策文本、学术文献和建设实践可以发现，俄罗斯大科学项目的实施建立在国际政府间协议的基础之上，将反质子与离子研究装置（Facility for Antiproton and Ion Research，FAIR）、欧洲核子研究组织（Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire，CERN）、国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）等视为对标对象［2］，大科学装置也时常作为科学外交的范例出现［3］。

因此，俄罗斯大科学装置是在众多科技基础设施基础上建设的具有科学外交属性的特种科学装置。虽然狭义上俄罗斯大科学装置看似起步较晚、数量较少，但其实际拥有坚实基础。

1.2 政策地位

大科学装置建设被置于俄罗斯社会经济发展的重要位置，被认为是保障国家科学竞争力和技术突破的关键因素之一，是开展基础研究和应用研究的重要平台。

2011年7月，时任俄罗斯总理普京首次提出，俄罗斯具备打造世界级大科学装置的能力和条件［4］。普京表示，俄罗斯已经积累了丰富的参与国外大科学计划的经验，现在应该转为吸引全球科学家参与俄罗斯的大科学计划。这不仅有助于将有限资源聚焦到科技优先领域，在基础研究和技术领域实现飞跃，还可以防止科技人才流失，并通过国际合作为俄罗斯带来现代的科学管理手段［5］。

2012年以来，关于大科学装置建设的内容贯穿于俄罗斯国家战略规划体系“自上而下”的各个层级当中（表2）。2012年12月签署的《2013—2020年俄罗斯联邦国家科技发展计划》总统令明确指出，支持在俄罗斯境内建设和开发独特的大科学装置和大型研究基础设施，助力俄罗斯充分融入全球科研网络。并依托大科学装置成立国际科学中心，吸引投资，为形成科研集群和创新基础设施创造条件，鼓励本国科学家在俄罗斯开展科研活动［6］。2013年5月，俄罗斯政府发布《2014—2020年俄罗斯联邦国家科技发展重点领域研发专项计划》，提出至2020年建成新一代大科学装置网络，在此基础上开展世界级科研活动，使这些大科学项目成为吸引全球科研人才的平台［7］。2016年12月，俄总统普京批准《2017—2025年俄罗斯联邦科学技术发展战略》，提出需发展在保障俄罗斯国家安全和世界科学发展中发挥重要作用的科学技术，其中包括建设和使用具有本国特色的大科学装置［8］。2018年5月签署的《2024年前俄罗斯国家发展目标与战略任务》总统令提出，俄罗斯政府需保障科学研发和创新活动先进基础设施的建立，包括建设和发展7个大科学类特种科学装置［9］。2018年9月发布的《2024年前俄罗斯联邦政府工作基本方向》指出：在PIK、NICA、ISSI-4（一期）、SKIF（一期）中，着手开展利用大科学类特种科学装置的国际研究［10］。2019年3月俄罗斯政府批准的《2019—2030年俄罗斯联邦国家科学技术发展计划》提出，建设和运行本国和国际大科学类基础设施，为科学、科技和创新资源的聚集创造条件［11］。同时，在该国家计划框架下的联邦子计划中明确提出，2024年前完成大科学类特种科学装置SKIF的6个实验站建设，持续推进在远东联邦区建设大科学类特种科学装置，以及利用NICA和PIK开展国际科学研究［12］。

表2 俄罗斯涉及大科学装置的主要政策文本Tab．2 Russia's Main Policy Involving Megascience Facilities

此外，2018—2024年“科学”国家项目框架下的“俄罗斯联邦先进研发基础设施发展”联邦项目任务之一便是发展用于科学研发和创新活动的先进基础设施，2021年前实现利用PIK开展国际科学研究，2023年前利用NICA开展国际科学研究，2025年前完成ISSI-4和SKIF第一阶段建设并开展首批国际科学研究［13］。

2 俄罗斯大科学装置建设历程与最新进展

2.1 高通量中子束流反应堆（PIK）

截至2022年7月，PIK是俄罗斯唯一建成并投入运营的大科学装置，于2018年底达到设计功率，2021年2月8日正式投入运行。

PIK是一座设计热功率为100兆瓦的压水堆，以轻水为冷却剂，重水为反射层材料［14］，拥有高通量热、冷、超冷中子源，8个中子水系统和近50个射束点［15］。与国外的同类型项目不同，PIK增加了反射层中子通量，材料可以通过通道加载到堆芯中，开展物理、生物学和化学领域的研究［16］，有望获取有关物质和材料的结构和性能数据并掌握其制备方法，获取生物体、化合物、聚合物的结构和特性数据，开展从同位素生产到在技术过程中使用中子的广泛应用与实践［17］。该反应堆最初于1976年在苏联中型机器制造部支持下开始建造，其出色的反应堆布局方案后被用于世界上几乎所有带有重水反射层的梁式反应堆。截至1986年，反应堆已完成70%的建设工作，但受切尔诺贝利核事故影响而停滞。随后，PIK又经历了多年的技术系统与结构优化，以及资金短缺等困难，于2001年恢复建设。2007年，俄罗斯政府组织专家对项目进行重新评估，决定拨款60亿卢布（2007年币值，约合2.3亿美元）用于建造反应堆的3个中子束流装置，并决定在其基础上组建国际中子研究中心（International Center for Neutron Research，ICNR），开展核物理、医学、材料科学、纳米生物技术等领域的研究。

2.2 重离子超导同步加速器（NICA）

NICA主要由同步加速器、对撞机和装置检测系统构成，可在相变的极端条件下重建和研究物质。俄罗斯希望通过实施NICA项目，构建世界一流水平的实验平台开展基础研究，解决高能物理领域最紧迫的问题，模拟数10亿年前宇宙大爆炸发生后的瞬间，探究宇宙起源过程。

该项目于2009年启动，2013年技术设计通过国家审查。2014年开始制定工作文件，完成施工现场准备，2015年9月开始第一阶段施工工作。整个装置的组装工作于2021年12月正式开始，将于2022年底完成所有设备安装工作并投入运行，2023年开展首次核束碰撞实验（图1）［18］。

图1 重离子超导同步加速器Fig．1 Nuclotron based Ion Collider Facility

2.3 第四代同步辐射光源（ISSI-4）

ISSI-4于2015年确定了配置、关键技术参数和操作方法，两年后启动概念设计工作，目标是在2025年前完成建设（图2）［19］。利用ISSI-4可以开展多学科研究，例如：1）利用原子空间和飞秒时间分辨率，研究生物和非生物的结构和动态；2）开发纳米结构材料、混合材料合成和诊断技术；3）研究分子生物学和神经生理学过程的特征；4）为超高速计算机寻找新材料，开发研究大脑和遗传器官功能的新方法；5）开发新型药物及其靶向输送方法，发展X射线医学纳米诊断和纳米治疗方法；6）研究大分子晶体、生物细胞及膜结构的细微特征；7）合成具有新型晶体和磁性特性的材料；8）研究接近地球和其他行星中心条件下的相变；9）生成并分析用于开发新型热核装置结构材料的等离子状态和稳定性；10）在开展纳米材料结构研究时，将空间和时间分辨率提高几个数量级，至单分子水平。ISSI-4将助力俄罗斯在凝聚态物理、纳米和生物系统等领域取得突破性成果，推动超导、磁系统、材料科学和仪器工程领域的创新技术发展。

图2 第四代同步辐射光源Fig．2 The Fourth Generation of a Specialized Synchrotron Radiation Source ISSI-4

2.4 极端光场国际研究中心（XCELS）

XCELS是一个基于高峰值功率激光源建造的巨型激光器，拥有功率为0.2 EW的独特光源，是目前可用激光器的数百倍。XCELS或将催生一个新的科学领域——核光学，并有望在高能物理学和超强激光场物理学交叉领域首次发现介于真空和未知之间的时空结构［20］。物理学家可以研究在接近光速的激光场作用下出现的极端状态下的物质，在实验室条件下模拟天体物理学和早期宇宙学现象，并计划利用辐射创造物质和反物质。XCELS原计划应在2012—2021年完成基础设施的建设和运行［21］，但直到2018年项目资金问题仍未得到完全解决［22］，当时预计该项目将在未来7～8年实施［23］。截至2022年，XCELS已建成用于拍瓦级光脉冲与固体目标之间相互作用实验的实验区和等离子体室，可以模拟各种天体物理问题的专用磁系统等设施。

2.5 正负电子对撞机（Super Charm-Tau）

Super Charm-Tau可以用来解决一些超出标准模型、能量范围从1～2.5 eV的物理问题，作为高亮度同步辐射源开展基础和应用研究，揭示宇宙中正反物质数量不对称的原因，帮助发现有关基本粒子构造的新信息。

Super Charm-Tau已经完成装置的概念、建筑和工程基础设施设计，制定了发展路线图和《计算基础设施要求草案》，其喷射综合体也已建成并实现交付，并于2016年开始在俄罗斯科学院西伯利亚分院核物理研究所的VEPP-4M和VEPP-2000对撞机上进行“巡航”工作。2021年，布德科尔核物理研究所表示装置已进入最后开发阶段［24］，并宣布建立国际合作框架，与国内外机构协作实施物理实验计划（图3）。

图3 正负电子对撞机Fig．3 The Super Charm-Tau Factory

2.6 托卡马克核聚变反应堆（IGNITOR）

托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器，最初是在20世纪50年代初由苏联科学家提出，并建成首台托卡马克装置［25］。在当前俄罗斯大科学计划框架下，IGNITOR由俄罗斯和意大利合作实施，可以产生具有特殊性质的等离子体，将为实现聚变点火的目标开辟一条新路径。

该项目于2009年12月由时任俄罗斯总统梅德韦杰夫和意大利总理贝卢斯科尼联合立项。随后两国于2010年4月签署《俄罗斯联邦教育和科学部与意大利共和国教育、大学和研究部之间关于在建造IGNITOR托卡马克和核物理领域其他倡议的合作意向备忘录》，并于2014年成立联合工作组，启动IGNITOR概念设计工作。2015年5月，装置最终设计方案确定，由俄罗斯联邦教育和科学部向特罗伊茨克创新与热核研究所提供经费支持。IGNITOR核心部件在意大利建造，随后运至莫斯科附近的特罗伊茨克安装。意方负责装置设计、制造与运输，俄方负责建造动力工程等基础设施，保障IGNITOR的接收、组装和后续运行［26］。截至2021年2月，该装置已进行了多项计算工作［27］，但仍处于建造中，尚未正式投入运行［28］。

2.7 西伯利亚环形光子源（SKIF）

SKIF是继首批6个大科学装置后于2019年新增的、具有4＋代同步辐射源的大科学计划项目，通过整合俄罗斯科学院西伯利亚分院新一代同步辐射源、库尔恰托夫研究所超导设备以及远东联邦区的同步加速器辐射源等27个综合研究体，建立现代化基础设施网络，利用明强X射线束在原子水平上开展化学、物理、材料科学、生物学和地质学等领域的研究［29］。SKIF的最低能量为3GeV，加速环长476米，发射度为75 pm·rad。未来还可使用扭摆器-衰减器等其他加速器方案，将发射度降低至60 pm·rad。此外，SKIF还有助于深入研究爆炸和冲击波过程中的力学和化学问题，助力研发3～30 keV超导波荡器。装置于2021年2月完成设计，同年12月取得建造许可，计划于2023年底建成，2024年底6个实验站正式投入运行［30］。

3 俄罗斯大科学装置建设的主要特征

3.1 项目特征：遴选技术优势项目重点建设

俄罗斯重点建设的大科学装置倾向于有丰富研究基础、技术领先且具有国际比较优势、依托高水平机构或由学科带头人领衔的项目。例如，由俄罗斯国家研究中心库尔恰托夫研究所主导的PIK，预计其性能和实验能力将超过包括法国劳厄-朗之万研究所的高通量核反应堆（High Flux Reactor，HFR）在内的全球现有反应堆；ISSI-4具有极高的空间相干性、亮度和时间结构，性能优于以欧洲同步辐射光源（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）为代表的第三代同步辐射光源；IGNITOR有望成为世界首个可实现独立点火的核聚变反应堆。由俄罗斯杜布纳联合核研究所主导的NICA实现了世界其他实验室无法做到的，在地球实验室条件下通过重离子碰撞实现核物质的最大重子密度。这符合俄罗斯一贯的科技发展逻辑，即根据自身条件有针对性地集中资源在某一领域构建非对称优势［31］，吸引国内外高水平人才参与本国大科学装置建设和使用。

3.2 目标特征：具有明确的科学外交功能

科学外交功能是俄罗斯大科学装置（大科学类特种科学装置）区别于一般特种科学装置的本质特征。例如，PIK主要以俄罗斯与德国之间的非商业合作为主，其科学目标制定和项目仪器开发由包括俄罗斯核子联合研究所、德国慕尼黑技术大学、法国劳厄—朗之万研究所以及瑞典“欧洲散裂中子源”研究中心等机构协作完成。NICA的国际参与者包括中国科学院等离子体物理研究所、南华大学等来自30个国家的科研机构，该项目与ISSI-4均被纳入俄罗斯与欧盟的重大研究基础设施“CREMLIN”国际合作项目框架。ISSI-4由库尔恰托夫研究所和德国电子同步加速器研究所共同建设［32］。CERN、美国费米国家加速器实验室、日本高能加速器研究机构和英国卢瑟福·阿普尔顿实验室等外国机构都表示有意参与XCELS的建设和运行［33］。IGNITOR则由俄罗斯和意大利合作实施。

考虑到大科学装置的超知识、技术与资本密集型特点，俄罗斯一方面希望通过国际研发和投融资合作促进大科学装置建设，另一方面则是将大科学装置的建设、发展和使用作为推动国际关系的一种“二轨外交”形式，扩展国际对话渠道［3］。

3.3 管理特征：遵从指令性计划原则

俄罗斯大科学装置建设的管理模式遵从指令性计划原则。从发展规划上看，俄罗斯大科学装置建设采用自上而下的层级制科学规划模式，每一层级对大科学装置建设的部署皆是其对上一级任务的细化或执行，其根本目标溯及国家经济和社会发展需求，即《2024年前俄罗斯国家发展目标与战略任务》列出的科学发展三大目标：1）在特定科技发展优先领域保障俄罗斯的科研水平达到世界前五；2）吸引国内外顶尖科学家和有发展潜力的青年学者赴俄工作；3）大幅提高国内研发支出在GDP中的比重。从资金来源上看，除NICA得到了国外资金支持以外，其他俄罗斯大科学装置建设皆为俄罗斯独资。俄罗斯大科学装置建设是俄联邦2018—2024年“科学”国家项目框架下“先进研发基础设施发展”联邦项目的任务之一，其建设资金仅依靠该国家项目预算中联邦预算和预算外资金两个渠道（如表3所示）。换言之，俄罗斯大科学装置建设直接接受联邦政府拨款和管理，而与地方政府（包括联邦主体）或其他经济活动主体无关。

表3 2019—2024年俄罗斯联邦“科学”国家项目预算（亿卢布）Tab．3 2019-2024 Budget of the Russian Federation National Project“Science”（100 Million Rubles）

指令性管理方式对俄罗斯国家科学管理体制的稳定性和有效性提出了极高要求，俄罗斯科学院社会科学信息研究所谢尔盖·叶格列夫教授认为，政府决策和政府间协议管理模式易滋生惰性机制，应避免使俄罗斯大科学装置成为大而无用的象征性工程［34］。

3.4 因素特征：对国内外形势具有较强依赖性

俄罗斯大科学装置发展对资金来源的依赖具有一定脆弱性。除已经建成的PIK外，俄罗斯其余6个大科学装置的总造价在4200亿卢布左右，其中包括国际合作伙伴对NICA的出资。而“科学”国家项目框架下的“先进研发基础设施发展”联邦项目总预算资金为3500亿卢布，且不全用于大科学装置建设。因此，俄大科学装置建设或面临逾700亿卢布规模的资金缺口。此外，鉴于大科学装置建设和盈利周期较长的特征与资本的利益诉求存在根本分歧，加之俄金融市场在西方制裁下的不稳定和非理性恐慌，俄国内预算外资金的流动性受到严重抑制，进而影响大科学装置经费的稳定性。与此同时，俄罗斯大科学装置发展对国际形势亦具有较强敏感性。在西方国家对俄发起持续、全面的科技制裁背景下，一方面，国外对NICA的可持续性资助存在风险。另一方面，西方各国科学界纷纷与俄“脱钩”并中断科技人文交流，给俄罗斯国内外围绕大科学装置开展国际合作的客观路径和主观意愿设置了重重障碍。

4 结论与启示

截至2022年6月，我国在建和运行的重大科技基础设施项目总量达57个，部分设施综合水平迈入全球“第一方阵”。根据国家发展改革委的规划，“十四五”期间，拟新建20个左右国家重大科技基础设施，确保在数量和质量上有新的跃升。我国重大科技基础设施建设迎来了实现历史性跨越的快速发展期［35］。俄罗斯大科学装置的建设起步较早，技术基础坚实，给我国推进同类项目建设带来诸多启示。

1）确立平衡且客观的立项依据和方法

在立项方面，俄罗斯聚焦优势领域遴选大科学装置项目，充分利用有限资源打造世界领先设施，可以避免大科学项目泛化，降低资源错配风险。俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院科技发展分析部主任伊琳娜·杰日娜指出，这是由于俄罗斯科学政策遵循“选择赢家”（Picking Winners）的逻辑，政策制定者依据机构声望、科研基础设施的独特性或科学家资历等并不完全客观的标准选择扶持对象［36］。这种遴选标准将使其他项目或领域的资源受挤占，进而造成国家整体科技水平失衡，并可能最终导致国家科学集群的板结化和垄断化。因此，我国在遴选重大科技基础设施项目时应以创造国家科学活动更优条件为根本目标，以客观科学的立项依据为原则，在重点建设和普遍发展中取得平衡。

2）坚持科技自立自强，探索良性的国际合作机制

俄罗斯大科学装置建设因其较强的科学外交属性而对国外技术和资金更为依赖。从复杂多变的国际形势来看，欧盟委员会在俄乌冲突发生后中止了与俄罗斯机构在科研创新领域的一切合作，其中就包括欧盟与俄罗斯库尔恰托夫研究所的大科学项目合作。同时，参与俄罗斯大科学装置建设的美国、德国、法国、意大利、英国和日本等皆被列入对俄不友好国家名单。因此，大科学装置建设要在坚持独立性和避免孤立性之间取得平衡。在大科学装置建设发展初期和关键阶段仍应坚持以自主研发为核心路径，同时充分考虑大科学装置的国际科研比较优势和国家间关系的复杂性，拓宽大科学装置建设必须的知识、设备、人员和资本等要素的对外交流渠道，建立多利益攸关方的良性国际合作机制。

3）构建多元联动发展体系，打造大科学生态

俄罗斯大科学装置建设以国家指令为原则的组织管理方式在积聚资源、明确目标的同时也对国家科学管理目标规划的合理性、制度运行的效率提出了极高要求，并导致其融资渠道较为单一。虽然国家主导是大科学装置建设的普遍特征，但没有任何国家或经济主体能保持永久良好的资金流量，任何一种单一制度也都存在耗散和失灵风险。因此，大科学装置建设应构建多元联动的发展体系，可通过丰富参与主体（包括地方政府、国有和私有企业）的方式减轻国家的组织管理和财政压力，并在国家与市场之间取得平衡，打造具有自主纠偏、自我供血能力的大科学生态，从而最大程度提高大科学装置的可持续运行。