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中国建设科技强国的科技创新平台之重大科技基础设施 精选

已有 3478 次阅读 2018-6-8 17:05 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 中国科学院, 科学出版社, 科技创新平台, 重大科技基础设施

重大科技基础设施集中体现了当代科学技术发展的最高水平,代表了探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革的极限能力,是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题必不可少的基础条件。重大科技基础设施在一定程度上代表国家科技水平、创新能力和综合实力,是世界科技强国的重要标志。


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重大科技基础设施的重大作用和意义

 

当前,人类经济社会发展面临资源、能源、环境、健康等一系列瓶颈制约,依赖科技进步破解瓶颈制约的需求日益紧迫。新一轮科技革命和产业变革孕育兴起,正在以全面的科技创新,驱动社会经济发展方式和人类生产生活方式产生深刻巨变,重塑世界竞争格局,对今后相当长一段时期内各国各民族的前途命运产生重大和深远影响。

 

在人类不懈探索和认识自然的科学进程中,物质结构、宇宙演化、生命起源、意识本质等基础前沿科学领域正在发生或酝酿重大突破。每一项重大突破的诞生,都伴随着人类探索未知的极限能力达到新的高度。重大科技基础设施对这些基础前沿科学发展发挥了核心作用,也是进一步实现重大科技突破必不可少的支撑条件。中国要建设世界科技强国,责无旁贷地要在重大科技基础设施建设和发展方面主动作为,做出应有的贡献。

 

2015年10月26日,习近平总书记在《关于〈中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议〉的说明》中强调,“提高创新能力,必须夯实自主创新的物质技术基础,加快建设以国家实验室为引领的创新基础平台” [1],《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》将加快国家重大科技基础设施建设作为提升创新基础能力的重要方面,提出要依托现有先进设施组建综合性国家科学中心,把对重大科技基础设施重要性的认识提升到空前高度[2]。

 

在实施创新驱动发展战略和建设世界科技强国的伟大进程中,重大科技基础设施是突破国家经济社会可持续发展和国家安全许多瓶颈制约的利器;是国家抢占科技制高点、引领重要科技领域、开拓新兴交叉领域的重器;是突破关键核心技术、催生高新技术、开辟新的经济增长点的发动机;是集聚和培养世界级高端人才、建设国际一流科研机构、开展高水平国际科技交流与合作、打造世界科学中心的重要基础;也是我国在人类探索和认识自然的征程中做出历史性贡献、彰显大国形象与强国地位的重要标志。


重大科技基础设施发展现状及趋势

 

从国际上看,重大科技基础设施出现于20世纪中期,直至20世纪末,一直处于平稳发展的状态。从世纪之交开始,随着新科技革命的兴起,全球范围内的重大科技基础设施再次呈现迅速发展的新态势。


1、重大科技基础设施建设发展的国际竞争加剧

 

各发达国家都高度重视重大科技基础设施的发展,纷纷制定长远规划并大力推进实施。近十几年来,一批高性能、新一代或新型设施投入运行,将人类认识自然的能力和开展广泛领域创新性研究的能力提升到空前高度。依靠重大科技基础设施提供的崭新或颠覆性研究手段,人类不断产生各种颠覆性技术,推动科技发展和产业变革,为人类破解各方面发展的瓶颈开辟广阔道路。在基础科学领域,依托重大科技基础设施取得了以发现希格斯粒子和成功探测引力波为代表的历史性突破,成为人类探索自然漫长征程的重要里程碑。

 

今后相当长的一段时期里,重视重大科技基础设施的建设和发展,仍将是科技发展趋势中的主旋律。这当中的一个新特征是,国际竞争日益激烈,抢夺制高点,已成为各国重大科技基础设施的重要着眼点。在能源、生命与健康、地球系统与环境、材料、工程技术等学科领域,抢占突破科学前沿和发展战略性高新技术的制高点,进而占据引领世界经济发展的有利地位,已成为发达国家相关重大科技基础设施的发展目标。

 

以多学科应用的平台型装置为例。当前,人类已进入物质调控时代,从分子、原子、电子、自旋态的水平来认识,进而调控物质,使其具有期望的功能和性能,将为人类开发丰富、高效、洁净能源,研究与开发环境友好的材料、工艺和技术,发明高性能和特殊功能的材料和器件,以及发展极大提高人类健康水平的卫生和医疗技术提供前所未有的机会[3]。为了抢占物质调控研究的制高点,发达国家正在竞相规划和建设性能极大跃升的新一代同步辐射光源,向衍射极限的目标推进;高性能硬X射线自由电子激光装置的竞争同样激烈;欧洲5兆瓦散裂中子源动工兴建,以期夺回因美国建设1.4兆瓦散裂中子源而失去的优势。美国能源部基础能源科学咨询委员会的一份报告[4],在评估这些发展情势后指出,“很显然,国际上建造衍射极限同步辐射和新的自由电子激光的努力,在下一个十年将严重地挑战美国的领导地位”“基础能源科学办公室应确保夺回自己的世界领导地位”。其字里行间弥漫着国际竞争的浓烈火药味。

 

与此同时,粒子物理和核物理、天文学等重大科学前沿领域,正处于暗物质和暗能量等重大突破的前夜,各科技强国都以率先取得突破为目标,确定各有特色的科学计划,抓紧建设相关研究设施。在此过程中,各国还及时根据发展态势,特别是竞争对手的动态,有针对性地调整设施建设方案和科学研究计划,竞争之激烈前所未有。


2、应用领域向能源、资源生态环境、生命与健康等扩展

 

重大科技基础设施的应用领域,从传统的物理学和天文学等少数学科,迅速向能源、资源生态环境、生命与健康等扩展。一方面反映出这些学科或领域已逐渐形成“大科学”研究方式,进而导致对研究条件提出更高的需求;另一方面也反映出在新的社会变革中,依托重大科技基础设施破解全局性、整体性重大科技问题的需求显著增强。

 

为此,各国政府在继续重视传统“大科学”领域设施发展的同时,着力加强新领域设施的布局建设,并对能源、全球气候变化和生态环境等需要协同建设的重大科技基础设施积极组织开展国际合作研究。


3、我国重大科技基础设施发展现状及需要关注的问题

 

我国重大科技基础设施的发展态势与国际发展态势基本一致,但也具有一些自身的特点,还有一些需要特别关注的问题。

 

过去十年,在国家的重视与支持及科技界共同努力下,我国重大科技基础设施快速发展,取得显著成绩。设施建设加快向体系化方向发展,投入运行和在建设施总量近50个。新建设施的技术水平和科学产出水平世界瞩目。例如,EAST是世界上首个全超导托卡马克实验装置,成为国际热核聚变实验堆(ITER)计划稳态物理重要的前期实验平台;大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)、FAST等天文观测装置的多项技术性能达到国际领先水平;长短波授时系统守时、授时水平长期保持在国际前列。依托重大科技基础设施,中微子物理研究、粲物理研究、等离子体聚变实验研究等多个方向处于国际领先地位,涌现了发现新的中微子振荡模式和四夸克候选粒子,实现稳态长脉冲高约束等离子体运行超百秒等一批重大成果;利用同步辐射光源平台装置,取得了诸如发现外尔费米子、破解埃博拉病毒入侵人体细胞机理等重要研究成果。

 

在能源、生命、地球系统与环境、材料、工程技术等领域,我国较早建成的重大科技基础设施,如遥感卫星地面站、长短波授时系统、海洋科学综合考察船、大陆构造环境监测网络等,在载人航天、资源勘探、防灾减灾和生物多样性保护等方面发挥了不可替代的作用。

 

在《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012-2030年)》的指导下,我国在继续重视传统领域设施发展的同时,进一步加强了对上述领域设施的部署,已经规划和部署建设的重大科技基础设施近20个。


同时,我国的多个重大科技基础设施发挥了带动和辐射区域创新发展的积极作用,在支持推进产业转型发展和创造新的增长点方面取得前所未有的成效,为创新驱动发展做出了重要贡献。在国家和地方政府的支持下,北京、上海、合肥等基于重大科技基础设施群的综合性国家科学中心正在加快建设。这必将强有力地促进我国科学技术的快速发展,加速经济社会发展。

 

总体来说,我国重大科技基础设施建设进展良好,但仍存在一些不足。首先,我国重大科技基础设施的发展水平与先进科技强国相比仍然存在较大差距,与创新驱动发展战略需求还有较大距离。其次,由于多方面原因,一些领域或重要方向的设施布局仍为空白,将影响相关科学研究的发展。最后,由于一些新兴领域里许多设施的形态与传统的大科学装置差别很大,其科学价值的体现、建设组织方式、运行模式、管理体制等众多方面都有强烈的自身特点。对这些问题和挑战,科技界和管理部门尚需加强研究,准确、全面认识和把握,同时坚定不移地加快发展,从设施体系的完整性、总体规模和技术水平等多方面,大力提升国家重大科技基础设施的体系化和支撑能力,特别是有力推动新兴领域设施科学、有效发展,最大限度地提高设施建设运行的效率和效益,在激烈的国际竞争中实现从跟踪到引领的跨越。


我国重大科技基础设施发展目标、布局和路径

 

重大科技基础设施从规划、立项、建设,直至建成投入运行、发挥效益,一般需要6-10年时间。如果计入酝酿策划和预先研究,时间还要长得多。因此,必须充分考虑这一特征,加强战略研究,前瞻规划布局。这里主要着眼世界科技强国建设目标,依据国家对重大科技基础设施发展的近中期规划部署,尝试描述至2050年我国重大科技基础设施相应的建设与发展目标,并基于对国内外科技发展新态势和国家创新发展新要求的分析研判,探讨促进本领域未来创新发展的战略选择。


1、2020年发展目标及路径选择

 

到2020年,重大科技基础设施领域布局基本完善,设施体系初步形成。薄弱领域明显加强,优势方向进一步巩固和发展。设施总体技术水平进入国际先进行列,一批设施的性能居国际领先地位。有效支撑前沿科技领域开展突破性和原创性研究的能力显著增强,基本建成若干综合性国家科学中心。设施整体国际影响力和地位显著提高,为我国进入创新型国家行列提供有力支撑,为进入创新型国家前列和建设世界科技强国奠定坚实基础。

 

由于从现在到2020年仅有3年时间,真正支撑实现2020年发展目标的是已投入运行和新近建成即将投入运行的设施。因此,重点是深化改革,加强管理,着力提升现有设施的能力和运行效率,充分发挥设施作用和效能,努力早出成果、多出成果、出好成果、出大成果。

 

1)狠抓建设管理,采取切实措施,确保2020年前完成“十二五”规划项目,2020年后数年内完成“十三五”规划项目。

 

2)加大支持力度,使新近建成或即将建成的FAST、中国散裂中子源(CSNS)等具有国际领先或先进水平的设施迅速进入高效的开放运行状态,尽快产出高水平成果。

 

3)尽快解决我国已投入运行设施,包括即将建成投入运行的设施中较为普遍存在的配套能力不足、实验研究终端系统薄弱等问题,大力提升设施的服务和支撑能力,充分发挥其效力。

 

4)加强战略研究,谋划推进国家重大科技基础设施发展中长期规划工作,完善规划布局和体系建设。


2、2035年发展目标及路径选择

 

到2035年,基本建成布局完整的重大科技基础设施体系,其技术水平和科技产出总体居世界前列,若干设施居国际领先地位,能够全面支撑前沿科技领域开展原创性研究。设施的科技效益和经济社会效益显著,率先取得一批重大科学前沿突破,不断为破解各种经济社会发展制约瓶颈提供新知识、新途径,不断催生具有变革性、带动产业升级的高新技术。在设施体系支撑下,基本形成若干具有显著国际影响力的世界科学中心和对国家经济社会发展有显著带动及促进作用的科技创新中心,为我国建设世界科技强国奠定更加坚实的基础。

 

1)在2020年至2025年,陆续建成近30个性能先进的重大科技基础设施,同时完善并显著提高已有设施的性能与支撑服务能力,发挥其最大效益。

 

2)在建成投入运行设施总体数量达到50个左右、高水平设施达到30个左右的条件下,应以占领科技竞争制高点、巩固和发展竞争优势、建设全球科学中心及国家创新高地为目标,努力产出一大批具有世界领先水平的原始创新成果。

 

3)在利用现有设施实施国家重点研发计划项目“大科学装置前沿研究”的同时,积极开展先期研究,确定利用重大科技基础设施取得重大前沿突破和重要原始创新成果的主攻方向,并据此组织队伍,开展预先研究,为抢占国际创新高地做好充分准备。

 

4)总结经验,科学筹划,在重要新兴领域,特别是在薄弱和空白的重要方向,部署和组织实施重大科技基础设施建设项目。


3、2050年发展目标及路径选择

 

世界科技强国的重要标志之一,就是建成布局科学完善、支撑全面有力、性能和产出水平世界领先、管理体制和机制协同高效的重大科技基础设施体系,依赖新思想、新原理、新技术发展一批具有世界领先水平的新型设施和新一代设施。在其强有力的支撑下,形成一批在世界上能够引领和主导科学发展的国际化科学中心,形成我国在相关领域的全球科技竞争中全面领先的科技创新能力。以其为依托,形成一批科技创新高地,创生更多变革性高新技术,有力推动产品、产业升级和引领性发展,成为我国占据全球经济增长制高点的强大驱动力。同时,这些科学中心和知识创新高地也将成为全球高端人才的集聚地和国家复合型科技领军人才的造就地。

 

1)吸引更多领域战略科学家,以发展新型设施和提高设施水平为目标,开展相关的新思想、新原理、新技术研究,将基于“三新”的高性能设施的预先研究纳入国家重大科技基础设施建设规划。

 

2)从2020年到2040年的4个五年间,根据需求的紧迫性和国际竞争态势,依次部署建设一批(20个左右)性能处于世界领先或前列、有能力抢占国际竞争战略制高点的设施。规划和建设中,应注重设施整体技术水平(而不是个别指标先进)和配套能力,使其建成后即可成为抢占国际创新高地的生力军。


4、若干领域方向的重点布局

 

重大科技基础设施涉及的学科和领域众多,需要长期、广泛、深入地研究,才能厘清所涉领域的科学技术问题和合理布局。这里重点对重大科技基础设施在若干重点领域方向布局的基本原则和一些共性问题进行简要分析。

 

一是要分析现状,对领域布局的合理性、优势与差距、已有规模及其与需求的差距、性能先进性和国际竞争力、建设效益和产出水平等各方面作出准确的判断。只有找准起点,才能找对路径,达到预定目标。二是要确定科学合理的发展路径,只有通过比竞争对手更为高效的路径,才能实现从落后到领先的超越。由于设施的建设期长,规划布局必须考虑路径的前后衔接和关联。三是要加强顶层设计。要充分理解国家需求,深入分析发展态势,准确把握未来趋势。在此基础上,恰当选择实现国际领先目标的突破口、优先布局的重点领域方向。

 

1.高能物理与核物理、天文学中针对科学前沿的专用研究装置

 

我国在这些领域已经拥有一批具有特色和特殊竞争优势、在相关科学前沿处于国际前列甚至领先地位的装置。近年又建成和部署建设若干世界领先的装置。2035年前的进一步发展,应该从科学意义和已有基础两个方向考察,精心选择有限目标,适度增加投入力度,部署新装置的建设,从而巩固已有优势,扩大优势领域。与此同时,加强对“三新”研究和新设施预先研究的部署,为2035年后的发展做好准备。2035年之后,待国家经济实力提高到新的水平,再追求扩大优势领域面,直至2050年达到全面领先水平。

 

应根据发展态势的新变化,适时适度调整布局,甚至包括具体设施的建设方案、技术路线及相应投资。当年BEPCII工程(北京正负电子对撞机重大改造工程)根据国际最新动向将建设方案调整为双环方案,以增加不多的投资,继续保持了竞争优势,是一个成功的案例。

 

2.多学科平台型装置

 

多学科平台型装置主要包括同步辐射光源、散裂中子源、自由电子激光、综合极端条件实验装置等。目前在重大科技基础设施领域划分中将其归为材料领域。实际上,它们的应用极为广泛,覆盖生命与健康、资源生态环境、物质科学、新能源等诸多领域。

 

近十年,这类装置在我国有了很大的发展,运行和即将建成投入运行的装置达到5个,其中大部分达到国际先进水平。如瞄准世界前列的高性能自由电子激光和准衍射极限同步辐射光源已有部署,即将实施建设。

 

今后一个时期内,应集中精力建设好已部署的装置,做好已有装置配套的实验系统后续建设和设施的高效利用,及时安排散裂中子源二期建设和高能准衍射极限同步辐射光源的二期建设,并部署低能区高性能同步辐射光源等新建项目。待已部署装置建成投入运行后,再根据科技发展和应用需求,选择确定下一步发展的目标。

 

3.新兴应用领域的重大科技基础设施

 

在能源、资源生态环境、生命与健康、工程科学等领域,我国从“十二五”开始部署了一批设施建设项目。建成后,这些领域的面貌将有望改观。但总体上看,已部署设施先进性不够显著,支撑相关领域科技前沿创新发展的能力尚显不足。今后一方面要合理安排这些设施的能力扩充建设,另一方面要在新建布局中提高对设施性能的要求。

 

另外,这些领域在一些重要方向上设施的缺失应尽快填补。例如,能源领域的新能源研究设施、能源科学和环境科学交叉设施,生命与健康领域的研究资源共享利用的分布式设施等。这些设施在许多国家和地区都受到极大关注。以欧盟2016年研究基础设施路线图为例[5],在能源领域布局了欧洲太阳能研究设施(EU-SOLARIS)、欧洲风能研究设施(WindScanner)、欧洲二氧化碳捕获和存储设施(ECCSEL)等;在生命与健康领域布局了生物数据库和生物分子资源设施(BBMRI)、生物信息设施升级(ELIXIR)、微生物资源设施(MIRRI)、海洋生物资源设施(EMBRC)等大量资源共享利用的分布式设施。这些情况都可以作为我们的参考和借鉴。


促进我国重大科技基础设施发展的战略举措和政策建议


1、坚持国家统一规划建设重大科技基础设施

 

必须继续坚持国家主导,由国家统一规划和部署重大科技基础设施的建设,坚持国家科技发展的战略目标和用户需求导向相结合的原则,这也是国际上发达国家重大科技基础设施建设的通行规则。

 

重大科技基础设施的建设方案应当力求综合性能先进,符合国情,综合考虑用户群体、建设队伍和管理开放水平,加强论证,确保科学性、先进行、可行性。重大科技基础设施的规划必须考虑装置的全生命周期,在重视新装置的立项和建设的同时,必须统筹考虑它们的运行开放和维护、实验终端的建设以及升级改造。要认真部署和实施重大科技基础设施新建或改造升级的关键技术预研,这是确保工程顺利建设、采用创新技术实现跨越发展和引领的关键。

 

积极探索地方政府参与重大科技基础设施建设的多种机制,调动各方积极性,加快我国重大科技基础设施的建设和应用水平。不应盲目追求设施单项指标的“世界第一”,避免一哄而上和低水平重复建设。


2、重视已建成设施的研究和应用成果产出

 

目前,我国已建和在建重大科技基础设施的数量已处于世界前列,若干设施已经接近或处于国际先进水平。但多数平台型装置的谱仪数量和精度以及样品环境还不能满足用户需求,与发达国家的同类装置差距较大,而在科学研究、应用及产出方面的差距更为突出。

 

在继续部署新建大科学装置的同时,应当更加重视依托已建成的重大科技基础设施,加强原创性重大科学问题研究,促进重大科技成果产出,同时积极推动面向国家战略需求和国民经济主战场的重大应用成果产出。要加大对设施运行、研究和应用的支持,如尽快增建一些平台型装置的谱仪,并适时进行升级改造,保持其在国际上的先进性和竞争力。加强对已投入运行的大科学装置科学研究和应用成果的评估,定期评估(每3-4年一次)其运行水平、开放和管理水平、科学和应用产出、用户评价、经费情况、维护和改造升级需求等,特别注重检查立项时科学和应用目标的实现程度。


3、设立大型科学研究平台二期工程 “绿色通道”

 

对多学科交叉的大型科学研究平台(如同步辐射光源、散裂中子源等)的二期工程(建设更多的谱仪和光束线站、样品环境、实验室设施等)的立项设立“绿色通道”。这些二期工程项目往往不要征地,在环评方面一般也没有变化。所以,在这些大型科学研究平台投入运行并通过国家验收后,应可立即申请二期建设,尽快发挥更大作用,而不必作为新项目参与每个五年规划的项目竞争。


4、推动国家层面的发展战略咨询常态化

 

加强国家层面的重大科技基础设施发展战略研究和决策咨询工作。以目前制定规划时成立的咨询委员会为基础,适时构建具有固定任期的常设咨询机构,形成常态化的咨询工作机制。其主要任务:一是定期对全国重大科技基础设施发展的状况,包括管理运行工作进行评估,针对存在的问题提出改进建议;二是适时对设施建成后的后续发展需求,包括扩充建设和升级改造等工作进行评估,提出安排建议;三是组织开展新建重大科技基础设施的规划论证和评审,提供咨询意见和建议。

 


研究编撰人员(按姓氏笔画排序)

陈和生 金铎 阎永廉 彭良强 曾钢


参 考 文 献

[1] 习近平.关于《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》的说明. http://www.xinhuanet.com/fortune/2015-11/03/c_1117029621.htm[2017-08-26].

[2] 国家发展和改革委员会.国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要. http://www.ndrc.gov.cn/zcfb/zcfbghwb/201603/P020160318573830195512.pdf[2016-3-18].

[3] Basic Energy Sciences Advisory Committee, U. S. Department of Energy. Directing Matter and Energy: Five Challenges for Science and the Imagination. https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc 900793/ [2017-08-26].

[4] Basic Energy Sciences Advisory Committee, U. S. Department of Energy. Report of the BESAC Subcommittee on Future X-ray Light Sources. https://wenku.baidu.com/view/41c63ab1172ded630 b1cb659. html [2017-08-26].

[5] European Strategy Forum on Research Infrastructures. Strategy Report on Research Infrastructures-Roadmap 2016. http://www.esfri.eu/roamap-2016[2017-08-26].



本文内容来源于中国科学院著《科技强国建设之路:中国与世界》,内容有删节。



《科技强国建设之路:中国与世界》

中国科学院 著 

责任编辑:李 敏  张 菊

北京:科学出版社 2018.02

ISBN:978-7-03-054784-2


《科技强国建设之路:中国与世界》以科技强国建设战略研究为主题,在回顾世界科技强国发展演进历程的基础上,重点研究了英国、法国、德国、美国、日本、俄罗斯等主要国家的科技发展战略和国家创新体系,总结分析了其经验教训;在研究归纳科技强国基本特征和关键要素的基础上,分析了我国具备的基础与优势、面临的形势与挑战,并根据党的十九大战略部署,从科技创新的战略目标、重点任务与政策举措等方面系统提出了一系列战略性、针对性意见建议;从新时代国家创新发展战略需求和世界科技发展前沿趋势出发,提出加快若干重大创新领域/ 平台发展的重点科技布局和路径、分阶段发展目标与相关政策措施。


(本期编辑:小文)



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