杭州大科學裝置建設進展及思路建議

浙江大學工業(yè)技術轉化研究院

超重力實驗室效果圖

基礎研究是科技創(chuàng)新的供給源頭。

為了有效解決“從0到1”環(huán)節(jié)的創(chuàng)新基礎研究成果欠缺問題，科技部等五部委根據(jù)《國務院關于全面加強基礎科學研究的若干意見》，于2020 年1 月21 日印發(fā)了《加強“從0 到1”基礎研究工作方案》。方案明確指出，北京懷柔、上海張江、合肥、深圳已建設我國綜合性國家科學中心，并鼓勵和支持地方政府結合自身優(yōu)勢和特色，制定出臺加強地方基礎研究和應用基礎研究的政策措施，加大地方政府對基礎研究的支持力度。

2020 年10 月，十九屆五中全會審議通過的《中共中央關于制定國民經濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二O 三五年遠景目標的建議》中提出，堅持創(chuàng)新在現(xiàn)代化建設全局中的核心地位，把科技自立自強作為國家發(fā)展的戰(zhàn)略支撐。這是我們黨在編制五年規(guī)劃建議歷史上的第一次。

大科學裝置是新基建的重要內容

作為綜合性國家科學中心重要組成部分的“大科學裝置”，是重大科技基礎設施建設的重要內容，也是“新基建”（包含信息基礎設施、融合基礎設施和創(chuàng)新基礎設施）中創(chuàng)新基礎設施的重點建設內容之一。

大科學裝置之“大科學”一詞出自1962 年6 月美國科學家、科學計量學奠基人和情報科學創(chuàng)始人之一普賴斯。他在《小科學、大科學》中提出，二戰(zhàn)后，隨著科學快速發(fā)展，大學實驗室所從事的“小科學”研究逐漸向多學科綜合應用型的“大科學”研究轉變，其特征主要為研究經費投入大、學科領域交叉廣、參與研究人員及機構多、實驗設施條件精貴且復雜、研究目標宏大等。

關于大科學裝置的定義，尚未有定論。綜合學界的說法，主要指：為在科學技術前沿取得重大突破，通過較大規(guī)模投入和工程來建設，建成后需長期穩(wěn)定運行和持續(xù)開展科學技術活動，以實現(xiàn)重要科學技術和公益服務目標的國家大型基礎設施。因而，大科學裝置又稱為國家重大科技基礎設施。

建設大科學裝置的意義在于用極限研究手段去突破前沿科學的挑戰(zhàn)，發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、探索未知世界、實現(xiàn)技術變革。大科學裝置是創(chuàng)新驅動發(fā)展、增強科技國際競爭力、實現(xiàn)科技強國目標的重要公共平臺，支撐著基礎科學前沿研究和多學科交叉前沿研究發(fā)展，標志著一個國家核心、原始創(chuàng)新能力的高低。同時，大科學裝置是眾多高新技術的源泉和高新技術產業(yè)的搖籃，推動著經濟社會全面、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展，也為國家安全提供著必不可少的基礎科技。

表1 大科學裝置分類表

圖1 大科學裝置系統(tǒng)要素圖

我國大科學裝置建設特色

中國科學院作為中國自然科學最高學術機構、科學技術最高咨詢機構、自然科學與高技術綜合研究發(fā)展中心，亦成為了建設和運營大科學裝置這一科學“重器”的主要力量。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有在運行的大科學裝置20個，在建的有11 個。從相關管理規(guī)定可知，中科院對大科學裝置分別按照應用目的、投資經濟建設、承建形式和運行方式及發(fā)展生命期進行了相關分類，具體如表1所示。

從現(xiàn)有布局來看，中國的大科學裝置正在朝多領域、綜合性、地域分散及多部門共建方向發(fā)展，其特征也日趨凸顯，主要體現(xiàn)為“兩性一大一長三集聚”：“兩性”指其大科學裝置兼具科學性和社會性，既有明確的前沿科學技術目標又面向國家發(fā)展戰(zhàn)略，既是先進的復雜的科研專用設施又是開放性的社會公共平臺；“一大一長”是指規(guī)模大、建設運行周期長；“三集聚”則是人才集聚、資金集聚及技術集聚。

“兩性一大一長三集聚”的特性亦意味著大科學裝置建設運營具有復雜性、系統(tǒng)性，既有基礎研究又有應用研發(fā)，既有基礎科學問題又有工程技術問題，需從無到有來建設，更需長期良性運營，在產生科學技術巨大價值意義的同時還需有力推動經濟社會發(fā)展，如圖1所示。

杭州大科學裝置的建設路徑

為鼓勵社會企業(yè)積極與高校、院所開展產學研合作，承擔重大創(chuàng)新載體平臺建設，早在2016 年，杭州市就針對浙江省下發(fā)的《關于補齊科技創(chuàng)新短板的若干意見》，出臺了《關于深化改革加強科技創(chuàng)新加快創(chuàng)新活力之城建設的若干意見》（市委〔2016〕16號），政策核心點即就省文件中條款“我省企業(yè)牽頭承擔國家工程實驗室、國家重點實驗室、國家工程（技術）研究中心、國家企業(yè)技術中心、國家地方聯(lián)合工程研究中心（工程實驗室）、國家制造業(yè)創(chuàng)新中心等國家級重大創(chuàng)新載體建設任務的，予以最高3000 萬元支持”予以響應，對本市企業(yè)承擔國家級重大創(chuàng)新載體建設進一步給予資金支持，明確原則上按浙江省扶持經費1∶1比例予以配套。

近幾年來，杭州不斷加大全市研發(fā)投入，研發(fā)經費投入占地區(qū)生產總值比重逐年提高，2019 年杭州市研發(fā)與實驗發(fā)展經費達到530.4 億元，其中財政科技支出為148.2 億元。與此同時，在基礎研究和應用基礎研究方面得到了政府的進一步關注，大科學裝置建設布局取得了突破性進展。

2019 年，浙江大學牽頭的“超重力離心模擬與實驗裝置”獲批啟動建設?！岸嗑S超級感知重大科技基礎設施（之江實驗室）”“超靈敏量子極弱磁場和慣性測量重大科技基礎設施（北航杭州研究院）”“新一代工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)信息安全大型試驗裝置（浙江大學）”等3 個大科學裝置已進入國家發(fā)改委評審階段，有望獲批建設。

超重力離心模擬與實驗裝置建設的“浙大模式”

“超重力離心模擬與實驗裝置”是第一個落地浙江省的國家重大科技基礎設施項目。

浙江大學作為牽頭單位，早在2017 年籌備醞釀期就在機構設置和科學家人才團隊配置上做了精心部署，成立了浙江大學超重力研究中心，組建了10 名院士為核心的科學與技術隊伍。陳云敏院士擔任中心主任兼首席科學家，并設立了學術委員會，其中有8 名院士委員，張澤院士擔任委員會主任。

之后，教育部和浙江省政府建立了省部協(xié)同機制，浙江大學于2020 年6 月印發(fā)《浙江大學超重力離心模擬與實驗裝置國家重大科技基礎設施項目建設管理辦法（暫行）》通知，成立了國家重大科技基礎設施建設（推進）指揮部，總指揮由校領導兼任。指揮部下設辦公室，設置綜合組、工藝組、工程組等三個工作組，由指揮部辦公室負責三個工作組的統(tǒng)籌協(xié)調。項目建設的體制機制也在不斷創(chuàng)新，項目建設以問題為導向，邊論證邊建設邊出成果，逐步形成了高校建設國家重大科技基礎設施項目的“浙大模式”。

據(jù)公開數(shù)據(jù)，作為“十三五”時期優(yōu)先啟動建設的10 項國家重大科技基礎設施項目之一，“超重力離心模擬與實驗裝置”主要建設內容包括2 臺全球容量最大的高速超重力離心機，容量分別為1900g·t（重力加速度·噸）和1500g·t（重力加速度·噸）；6 座超重力實驗艙，分別為用于驗證重大工程服役性能的邊坡與高壩實驗艙和巖土地震工程實驗艙，支撐我國能源和礦產資源開發(fā)向國際先進水平邁進的深海工程實驗艙和深地工程與環(huán)境實驗艙，增強我國地球科學和材料科學研究的原始創(chuàng)新能力的地質過程實驗艙和材料制備實驗艙；18 臺機載裝置，其中6 臺為世界首創(chuàng)、12 臺技術指標國際領先。

由陳云敏團隊自主研發(fā)的高速鐵路全比尺動力試驗創(chuàng)新裝置

該項目計劃總投資約為21 億元，其中國家投資18.5 億元，浙江省配套2.5億元，用地89畝，建筑面積34560平米，建設周期5年。

該項目首席科學家陳云敏院士介紹，這一在建的全球容量最大、應用范圍最廣的超重力多學科開放共享實驗平臺通過超重力離心機與力學激勵、高壓、高溫等機載裝置綜合集成，構建了超重力場與極端環(huán)境疊加一體的復雜科學實驗場景。在此場景內，可以對從瞬態(tài)到萬年時間尺度、從原子級到千米級空間尺度、從常溫常壓到高溫高壓等多相介質運動進行觀測，具有時空壓縮、能量強化和加速相分離三種基本科學效應，為地質過程演變與成巖成礦、巖土體大時空演變與成災、合金熔體超重力凝固的機理研究，為深地深海資源開發(fā)、重大基礎設施建設、高性能材料研發(fā)等提供基礎支撐。

杭州3個待建大科學裝置介紹

除了超重力離心模擬與實驗大科學裝置獲批啟動建設以外，杭州還有3 個大科學裝置已進入國家發(fā)改委評審階段。

據(jù)有限的公開材料得知，多維智能感知大科學裝置作為之江實驗室“1481 科研工程”（1 個國際大科學計劃，4 個大科學裝置，8 個重大科技應用平臺以及100個重大科研項目）的重點版塊，將圍繞多維感知融合和類人五感極限感知研發(fā)并建設超級感知數(shù)據(jù)與計算支撐平臺。

2020 年10 月，北京航空航天大學房建成院士團隊與杭州高新區(qū)（濱江）“超高靈敏極弱磁場和慣性測量裝置”重大科技基礎設施培育項目簽約。該設施的培育建設將緊密圍繞“四個面向”，服務國家戰(zhàn)略、軍民融合，助力產業(yè)變革。落地在濱江區(qū)的北航量子精密測量與傳感技術實驗大樓未來應用將促進芯片化量子傳感器的產業(yè)化，帶動無人系統(tǒng)導航及高端醫(yī)療設備等千億級產業(yè)的形成和發(fā)展。

2020 年7 月發(fā)布的《浙江省新型基礎設施建設三年行動計劃(2020—2022 年)》中，明確提出要大力推進大科學裝置建設，建設大規(guī)模、通用化、高擬合的新一代工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)信息安全大型實驗裝置。該裝置將實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網在大規(guī)模、高精度、高逼真極限條件下信息安全與功能安全的綜合深度分析、檢測、驗證與評估，從根本上解決我國工業(yè)互聯(lián)網系統(tǒng)信息安全重大隱患。

大科學裝置發(fā)展的“杭州戰(zhàn)略”探索

為進一步推進大科學裝置建設在杭州的快速穩(wěn)步發(fā)展，杭州應以國內大科學裝置的建設發(fā)展的幾十年歷程及美國、德國、日本等發(fā)達國家的成功經驗為鑒，進一步加強開放合作。

超靈敏量子極弱磁場和慣性測量重大科技基礎設施

一是嘗試程度不等的國際合作，充分集聚參與方在規(guī)劃設計、投資評估、建設運營和管理服務等方面的優(yōu)勢，提高大科學項目成功率；

二是應進一步重視從不同視角不定期發(fā)布未來大科學裝置發(fā)展戰(zhàn)略報告和發(fā)展路線圖，設立專門機構制定發(fā)展指南和發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃；

三是在確保大規(guī)模持續(xù)穩(wěn)定投入的同時，鼓勵支持大科學裝置向社會開放，公益免費使用與市場收費使用并行，充分發(fā)揮其社會效益，成為高層次人才培養(yǎng)基地和高端科普教育基地；

四是進一步發(fā)揮大科學裝置的產業(yè)集聚和輻射效應，提升裝置經濟價值，聚焦優(yōu)勢重點產業(yè)，加速成果轉移轉化，形成產業(yè)與裝置設施的良性互動，打造經濟發(fā)展新引擎。

繼北京、上海、合肥和深圳成功創(chuàng)建成為綜合性國家科學中心城市后，我國又有多個省會城市開始角逐，爭創(chuàng)綜合性國家科學中心。與科教強市武漢、南京、西安，國家中心城市成都，以及國家第一大經濟省份廣東的省會廣州等強勁對手相比，杭州創(chuàng)建綜合性國家科學中心有其得天獨厚的優(yōu)勢積累——既可依托以浙江大學為首高校院所科研人才高地，又可借助阿里巴巴、?？低暤绕髽I(yè)集群的強大科技成果轉化與應用技術能力。

高速的產業(yè)發(fā)展和經濟社會發(fā)展使得重大科技基礎設施群建設成為必然亦可能，大科學裝置布局和集聚必將吸引一批全球頂尖科研機構和一流研究團隊，有效推動多學科交叉前沿研究，從而有力保障杭州在科技創(chuàng)新方面持續(xù)位居全國前列。