创新之核：大科学装置在科学城的作用

自20世纪40年代世界上第一个科学城－苏联新西伯利亚科学城问世，科学城已经走过了八十多年的历史。在此期间，世界各地相继涌现出一批以知识、技术、人才高度集中和科研、教育、生产汇成一体的区域性科研生产组织形式－科学城。科学城的特点是城市功能比较完备，人口规模不大，离中心城市不远，生态环境良好。一般处于科技创新中心的辐射范围内，为科技创新中心的有机组成部分。从核心特征来看，科学城明确凸显了原始创新突破的重要性及其作为策源地的关键作用^[1]。而大科学装置在此过程中的作用不容忽视，作为国家科研基础设施水平和装备制造能力的综合体现，以重大科技基础设施集群为核心强化科学内核，已成为当前科学城发展的必由之路。

一、大科学装置简述

大科学装置，也称大科学工程。国家官方定义是“重大科技基础设施”。十四五规划的名词解释阐释为“重大科技基础设施是为探索未知世界、发现自然规律、引领技术变革提供极限研究手段的大型复杂科学技术研究装置或系统。作为国家创新体系的重要组成部分，重大科技基础设施是解决重点产业“卡脖子”问题、支撑关键核心技术攻关、保障经济社会发展和国家安全的物质技术基础，是抢占全球科技制高点、构筑竞争新优势的战略必争之地。”^[2]大科学装置在基础科学研究和应用研究中发挥着至关重要的作用。这些装置往往能够提供独特的实验条件或观测能力，是推动科学前沿探索和重大科学发现的关键工具。

我国大科学装置的建设起步于20世纪60年代，六十多年来，走过了从无到有、从小到大、从跟踪模仿到自主创新的艰难历程。目前我国布局大科学装置总量达77个，在建和运行的大科学装置为57个。从地域分布来看，主要集中在北京、上海、合肥、深圳、武汉等城市。大科学装置主要具备四个特征：投资额巨大、建成周期较长、科学目标复杂艰巨、集成多项尖端技术。建设周期长大科学装置投资规模通常在几亿元到几十亿元，需要持续稳定的资金支持，一般从立项到建成投入使用大体需要5至10年。大科学装置着重强调重大原创性科学发现，目标复杂性大、技术难度高，需要汇聚全球顶尖科研团队与多项高新技术。作为国家创新体系与核心竞争力的重要组成部分，大科学装置的建设务必要拓展其广度、深化其层次，尽快建成布局完备、技术领先、运行高效、创新有力、综合效应显著的设施体系，为原始创新和关键技术攻关提供更强有力的支撑。

二、大科学装置在科学城的功能定位

我国科学城的建设和研究起步相对较晚。1951年起建立的中国科学院中关村园区是新中国建设的第一个具有科学城性质的大型科研基地并逐步发展成为中国高科技的象征。随着我国创新驱动发展战略的实施，区域层面的创新布局逐渐加强，以科学城建设打造创新发展新引擎成为国家乃至地方政府探索区域创新发展转型的重要方式。北京怀柔科学城、上海张江科学城、深圳光明科学城、合肥滨湖科学城等新一代科学城建设逐渐兴起，这些科学城以建设综合性国家科学中心为契机，以重大科技基础设施集群建设为主要标志，正在改变着我国重大科技基础设施和国家战略科技力量布局，影响着国家科技和产业的发展方向^[3]。

大科学装置在科学城中扮演着多维度的角色。首先，它们是科学研究的重要推动力。大科学装置提供了前所未有的实验条件和观测能力，使得科学家能够探索自然界的深层次规律和极端状态。例如，粒子加速器使得物理学家能够研究基本粒子的性质和相互作用。其次，大科学装置能促进科学城内的知识交流和技术转移，加速科技成果的转化，促进产业化进程。大科学装置通常涉及多个学科领域的知识和技术，为跨学科研究提供了平台。例如，同步辐射光源不仅对物理学研究至关重要，也广泛应用于化学、材料科学和生物学等领域。在建设和运行过程中，大科学装置所产生的新技术和新方法，往往能够转化为实际的产品和服务，推动技术创新和产业孵化。例如，医学成像技术的发展就得益于大科学装置在相关领域的应用和研究。最后，大科学装置聚集创新资源，将科学城变为全球创新网络的枢纽节点。科学城的建设是人才、知识、技术、信息、资本等创新资源融合与开发利用的过程。作为区域内创新活动高度集中的极点，科学城可以凭借其优越的制度环境和开放创新氛围，促进创新资源的集聚与扩散，进而带动其他区域的创新发展。依托重大科技基础设施集群和一流创新主体，科学城不断拓展国际科技合作空间。

1、科学研究内核

作为综合性国家科学中心的空间载体，科学要素是科学城建设最本质的特征。而大科学装置可以提供人类从事前沿科学研究所必需的极限研究手段，是支撑战略性、基础性、前瞻性基础科学研究的重要平台。科学城通过布局通用型大科学装置和专用型大科学装置，形成学科关联、空间集聚的重大科技基础设施集群。在研究领域上，一般科学城选择2～3个前沿领域作为科学研究和产业化的主要方向，形成重大科技基础设施集群、创新主体和产业集群在领域方向上的一致性。^[4]以东莞松山湖科学城为例，作为粤港澳大湾区重要的科技创新平台，松山湖科学城以散裂中子源为研究核心，填补了我国脉冲中子源研究的空白。散裂中子源这一大科学装置不仅对东莞乃至整个大湾区的科学研究和技术创新产生了深远影响，同时也是国家在粒子物理和材料科学的重要战略布局，推动相关领域的科研水平迅速进入国际先进行列。

案例1：东莞松山湖科学城与中国散裂中子源（CSNS）

2002年，由中科院物理所和高能物理所承担的散裂中子源概念研究启动。2006年，散裂中子源选址广东东莞松山湖科学城，这也是我国的大科学装置首次落户珠三角地区。十一五期间，散裂中子源被列入国家“十一五”的大科学装置建设计划并开工建设，2018年通过国家验收并投入使用。这是我国第一台，也是世界第四台散裂中子源，也是我国迄今为止已建成单项投资规模最大的大科学装置。可以说它的出现，让我国相关领域的科学家正式结束了排队申请使用国外设备开展科学研究的历史。

在基础科学研究中，中国散裂中子源为物理学家提供了研究物质微观结构的强有力工具。通过中子散射实验，科学家能够深入探索物质的基本性质，推动基础物理领域的科学发现；中国散裂中子源已完成的用户实验课题，涉及大型工程部件残余应力和服役性能检测等，为许多高性能结构材料攻关提供了关键技术平台，如金属疲劳、可燃冰、磁性材料……诸多领域的基础研究与关键问题攻关都离不开散裂中子源；中子源的高亮度中子束为材料的结构表征和性能研究提供了独特的研究手段。如航空发动机核心部件-叶片的服役寿命，一直是制约我国航空领域发展的“卡脖子”问题，通过中国散裂中子源，科研人员首次获得了多种型号发动机的高温合金叶片、单晶叶片、3D打印叶片在不同工艺、不同服役状况下的内部应力数据，填补了国内深层高精度应力测试与评价的空白，支撑解决国产叶片的材料设计、制备和加工工艺。

2、产业变革引领

未来的产业发展主要依赖于颠覆性前沿科技的突破，新材料、新能源、新一代人工智能、生物技术等一系列技术突破正在改变现有的产业格局和竞争模式。科学城最有可能产生颠覆性前沿技术的突破，进而带来产业变革。通过支持多元化创新主体依托重大科技基础设施建设前沿科学交叉研究平台，科学城为开展前沿引领技术探索和重大原创科研成果的产业化提供平台支撑。例如合肥目前优化提升、在建、拟建和规划布局大科学装置已经达到12个，装置的集聚度处于全国甚至世界领先水平。在成果转化方面，依托全超导托卡马克装置，中科院合肥研究院成功研制了国产全球最紧凑超导回旋质子治疗系统，加速推动国产高端医疗器械产业化；稳态强磁场实验装置催生出多个国家I类创新靶向药物，授权发明专利34项，孵化高科技企业4家，取得超预期的转化成果。

案例2：合肥滨湖科学城大科学装置集中区

2017年9月，安徽省委、省政府、中科院正式印发《合肥综合性国家科学中心实施方案（2017-2020年）》，规划建设滨湖科学城，依托滨湖科学城打造国家实验室和合肥综合性国家科学中心的重要载体和形象展示窗口。合肥综合性国家科学中心以大科学装置为核心层建设内容，聚焦信息、能源、健康、环境四大科研领域，开展多学科交叉和变革性技术研究。

滨湖科学城大科学装置采取了“单元生长”的空间模式，形成串珠状的组团布局。每个大装置集聚单元面积在2~3k㎡左右，内部包含2~3个大装置以及若干实验平台、科研机构，外围也以组团的形式布局科学服务、大学、成果转化与生活配套功能。目前合肥已建成全超导托卡马克、同步辐射光源、稳态强磁场实验装置等3个装置性能不断提升；聚变堆主机关键系统综合研究设施、未来网络试验设施等2个在建装置加快推进；高精度地基授时系统、合肥先进光源等5个装置加快推进前期工作；强光磁集成实验装置列入国家“十四五”备选项目，谋划G60 高速磁悬浮通道合肥—芜湖试验工程。

3、创新网络枢纽

当前世界科学城发展的一个新趋势是从关注本地资源的整合，转变为更为开放地对接全球创新创业网络。发挥科学城重大科技基础设施集聚的特点，可以将科学城打造成全球科技创新网络枢纽节点，将本地科技和产业优势与全球创新网络的价值对接，促进知识和创新流动。以重大科技基础设施集群为依托，推动国内外科学家在科学城发起大科学计划或大科学工程，积极开展国际科技合作和交流。同时发挥重大科技基础设施集聚人才的功能，吸引国内外顶尖科学家来科学城开展科学研究工作，打造全球知名的国际科学会议。比如，北京怀柔科学城依托其大科学装置，目前建有材料基因组研究平台、清洁能源材料测试诊断与研发平台、先进光源技术研发与测试平台等15个前沿交叉研究平台，这些平台促进了创新资源的集聚与扩散，进而带动其他区域的创新发展，使得怀柔科学城在多个前沿科学领域逐步形成了辐射全国的创新网络。^[1]

案例3：北京怀柔科学城与子午工程

北京怀柔科学城位于北京市东北部，是北京建设国际科技创新中心“三城一区”主平台之一。围绕综合性国家科学中心建设，怀柔科学城加快打造重大科技基础设施集群与前沿科技交叉研究平台，按照物质、空间、生命、地球系统、信息与智能五大科学方向，聚焦37个细分领域，怀柔科学城已经布局了综合极端条件实验装置、地球系统数值模拟装置、高能同步辐射光源、多模态跨尺度生物医学成像设施和“子午工程”二期5个大科学装置，40余个科学设施，已拥有35余个重大项目，涉及大科学装置、科教基础设施、交叉研究平台、科技创新基地各个领域。目前五个大科学装置以及一大批试验平台、基地等都在有序建设，吸引着一批国内外顶尖科技人才和高水平研究团队、高等院校等创新主体入驻，科技创新生态也随之不断完善。

基于重大科技基础设施子午工程（Ⅰ期和Ⅱ期），我国发起多边重大国际科技合作计划-国际子午圈大科学计划，在北京怀柔科学城建设国际子午圈总部机构、数据中心、运控中心等所需科研试验用房及配套用房，为各国家代表、科学家以及相关国际科技组织在怀柔科学城开展工作提供现代化便捷的国际合作和交流条件；纳米能源与纳米系统国际会议永久落户北京怀柔科学城也提升了怀柔科学城在全球科技版图中的地位，拓展科学城的国际科技合作空间，推动其形成全球创新网络的枢纽节点。

三、科学城内大科学装置建设的不足

在充分肯定成绩的同时，要清醒地认识到由于我国的大科学装置设施建设起步相对较晚，技术储备和人才队伍尚有不足，对更高水平原始创新和核心技术产出的支撑作用亟待提升，整体水平与建设科技强国和高水平自立自强的目标要求尚存在一定的差距，限制了科学城在前沿科学研究领域竞争力与其经济发展能力的迅速提升。

1、世界领先、独创独有的装置设施数量稀缺

科技领域的迅猛进展需要大科学装置不断进行技术升级。科学城必须保持其科研设施的先进性，以适应新的科研需求与其科研前沿地位。当前，国际科技竞争空前激烈，世界科技强国经过长期积累，已经拥有相当规模、有重要影响力的重大科技基础设施。我国的重大科技基础设施建设起步相对较晚，水平相对不高，以跟踪模仿和追赶西方发达国家为主。具备原创科学思想和科学设计、世界领先甚至独创独有的重大科技基础设施数量较少。然而，技术更新的持续滞后可能导致科研设施落后于国际先进水平，影响科研成果的质量和影响力。这要求科学城具备对科技变迁的敏锐洞察力和快速响应能力，同时在制定技术发展策略时要有前瞻性的视野与规划，才能在日新月异的科技浪潮中乘风破浪，立于不败之地。

2、支持装置设施的科研资金压力较大

大科学装置因其规模庞大和技术复杂性，通常需要巨额的初始建设和持续运营资金。这些资金需求对科学城的财政预算构成重大压力，尤其是在科研预算有限的情况下。此外，随着科技的快速发展，设备更新和维护也需要持续的资金投入，以确保科研设施保持其先进性和竞争力。例如欧洲核子研究组织（CERN）的大科学装置。作为当前世界上最大、能量最高的粒子加速器，欧洲大型强子对撞机（LHC）建设历时15年，耗资近60亿美元。另外欧洲核子研究中心近期开始建设未来环形对撞机，该设备第一阶段于本世纪四十年代中期完成，耗资约170亿美元。德国需要每年向欧洲核子研究中心拨款2.67亿欧元，约占实验室预算的20%，目前德国正对是否继续为该项目提供必要的资金支持进行深入研究^[5]。国内大科学同样存在因装置利用效率不高限制核心技术的突破。以散裂中子源为例，中国散裂中子源共计划建设20个谱仪孔道，由于经费限制等原因，一期仅建设了3台谱仪，只能满足这些谱仪对应研究领域50%左右用户的实验需求，^[6]还有许多重要领域急需建设相应的谱仪。

3、国际科研合作潜力尚未充分挖掘

当前，美西方少数国家对我国的科技遏制和封锁持续升级，国际科技合作面临严峻挑战。在这样的科研环境中，科学城不仅要在国际合作中发挥积极作用，还要在激烈的国际竞争中保持自身的竞争力。而大科学装置在突破封锁、吸引合作，特别是开展科学家之间的深度科技交流合作中具有独特优势。目前，我国大科学装置的很多领域已开展了良好的国际合作，取得了一定成效，如依托BESIII进行的国际粒子物理研究、参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划。然而，在国际合作上大科学装置并没有发挥更大的作用。一方面，我国主持的本土项目国际合作比重较低，且大部分停留在一般性的交流合作上，缺少实质性的外方经费投入和人员、技术贡献，导致我国专用研究设施国际领先性、国际影响和重大成果产出不足。另一方面，我国也较少实质性地、有显示度地参加别国的项目，国际影响不足，不易达到国际领先水平，也影响我们吸引国外投入参与本土项目。[7]如何在国际合作与竞争中找到平衡点成为科学城亟待深思的关键议题。

四、大科学装置未来发展建议

1、强化顶层设计，实现装置技术持续升级

科技的快速发展使得大科学装置必须不断进行技术升级，以适应新的科研需求，保持其在全球科研中的领先地位。科学城需要建立一套长效的技术升级和维护机制，这不仅涉及硬件设备的更新换代，还包括软件系统的升级和科研方法的创新。要做好顶层规划设计，加强对大科学装置建设的领导和协调管理工作，把大科学装置发展作为科技创新战略的重要组成部分进行总体考虑和规划。要加快设施预先研究的前瞻布局。以科学需求为导向，科学遴选重大科技基础设施项目。在充分考虑学科领域均衡发展的同时，做好发展战略选择和优势学科布局。在继续加强对基础科学投入的同时，合理平衡不同学科领域，重点突破有影响力的关键领域。科学城可按照《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》的七个重点领域组织态势分析，按照“有什么”“需要什么”“未来发展趋势是什么”层层递进分析，客观评估分析本科学城在相应领域的大科技装置的发展需求。^[3]

2、拓宽筹资路径，确保大科学装置财力支撑

大科学装置的建设和维护需要巨额资金，单靠政府预算往往难以满足。因此，科学城必须采取多元化的资金筹措策略，以确保项目的顺利进行和持续运作。政府的科研资助可以为项目提供稳定的资金来源，对基础科研和大型设施建设至关重要；积极参与国际科研合作项目，申请跨国组织的科研基金和财政补贴，与国内外企业建立合作伙伴关系，在国际社会寻求资金支持；可发起公私合营模式，通过与私营部门的合作，共同承担项目风险与收益；此外，科学城还可以通过发行专项债券、设立科研基金等方式，拓宽资金来源渠道。此外要提高大科学装置使用效能，促进设施加强开放共享，提升自我造血能力。做好设施升级和实验新方法、实验新技术的创新，提高设施本身的运行服务能力，为高水平科研活动提供更好的支撑。通过这些多元化筹资手段，让大科学装置的建设和维护拥有稳定而充足的资金流。

3、加强高水平国际合作，发起国际大科学计划

科学城要在全球科研领域中占据一席之地，必须具备国际视野。要坚定开放合作，围绕重大科技基础设施的建设和运行，努力拓展合作范围、方式和渠道。可通过与国外知名科研机构合作，建立联合实验室或研究中心，促进科研人员交流和资源共享。要在项目遴选、评估、建设上有更多的国际参与和贡献，使更多的重大科技基础设施开展高水平国际科技合作。参考怀柔科学城子午工程模式，定期举办或参与国际科研会议和研讨会，发起或参与国际科研合作倡议，提升其在国际科研领域中的话语权。另外，在充分考虑我国财力状况的同时，未来应将国际合作项目纳入我国重大科技基础设施规划，加强国际重大科技基础设施的合作建设及研究，培育并发起以我国为主的国际大科学计划和大科学工程，逐步形成以我国为世界科学研究中心的科技发展新格局。