大科學工程與中國高新技術產業發展的關係 | 對撞機的對話4

知識 09-08

?對撞示意圖。來源：CMS

撰文 | 徐慶金（中國科學院高能物理研究所）

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楊先生近日在《知識分子》發表題為《中國今天不宜建造超大對撞機》的文章，反對我國目前建設大型粒子對撞機項目，其中的幾條反對意見，看到後不敢苟同。本人國內工科博士畢業，後前往國外加速器實驗室工作數年，於兩年前回國。從研究生時期起參加北京正負電子對撞機二期（BEPCII）工程項目建設，在國外工作期間參加歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機高亮度升級項目（HL-HLC）超導磁體技術預研，對應用超導技術領域及粒子加速器領域頗為熟悉，斗膽班門弄斧，與楊先生及有關專家就楊先生文中的「第二條」做深入探討。所討論的議題，均在我的專業背景所涉及範圍內，以保證所有素材及結論的可信性。當然，尺有所短，寸有所長，文中難免有錯誤之處，但求起到拋磚引玉的作用，希望大家批評指正。

楊先生在《中國今天不宜建造超大對撞機》一文中提到：

「（二）今天全世界都驚嘆中國GDP已躍居世界第二。可是中國仍然只是一個發展中國家，人均GDP還少於巴西，墨西哥或馬來西亞，還有數億農民與農民工，還有急待解決的環保問題，教育問題，醫藥健康問題，等等。建造超大對撞機，費用奇大，對解決這些燃眉問題不利，我認為目前不宜考慮。」

我理解並同意楊先生的出發點，民生始終是最重要的問題，但由此能否得出中國今日不應建設對撞機的結論？我沒有得出直接的因果關係。我斗膽猜測，楊先生的意思是國家應該把建設對撞機的經費直接用在民生上，解決民生問題。這看似直截了當，但是不是最好的解決方案？十年四百億人民幣的費用並不是個小數目，怎麼把它用到極致，需要國家三思而行。我們可以直接將其用在民生問題上，或者再直接一點：十億民眾，每人每年發放四塊錢！但這樣民眾得到了什麼？短期來看，確實每位國人都有收穫，每年收入增長四塊錢；而從長遠來看，這每年四塊錢的收入增長又會對每位民眾的長期發展產生什麼積極影響？

倘若我們換一種方式：把這四百億放在一起，建設一個集成各種世界最前沿科技的粒子加速器/對撞機，是否會對我們大家的長期發展產生更重要的作用呢？我國經濟經過三十多年的高速發展，現已進入一個新的時期。依靠技術含量較低的低端產業，已經無法再繼續發展下去。如何推動我國經濟穩定、健康地發展？個人認為只能依靠高新科技推動各個行業的技術創新，為國民經濟的發展注入持續且強勁的動力。

那麼，建造粒子加速器/對撞機能不能帶動我國高新科技的發展？以我所在的超導技術領域為例，答案是肯定的。

超導現象一百多年（編者註：1911年）前就已經被發現，但直至上個世紀七十年代，依然沒有得到廣泛的應用，主要原因可以歸結為超導線材不成熟的製作工藝以及高昂的造價。上世紀七十年代末，美國費米實驗室（FermiLab）得到政府批准，使用超導技術升級粒子加速器TEVATRON。TEVATRON的升級建設需要數量龐大的NbTi超導線材用以製作數百個超導磁體。巨大的市場需求吸引了各主要超導線材研究單位及企業的注意力，並不斷加大研發力量，大幅度提高了超導線材的性能，以滿足TEVATRON建設的需要。

與此同時，由於線材的性價比得到了明顯提高，超導技術大規模應用的大門由此開啟：在以後的數年，基於NbTi超導技術的醫用核磁譜儀（MRI）得以廣泛推廣。上世紀八十年代，歐洲開始提議建設大型強子對撞機（LHC），並開始了相關超導磁體技術預研，帶動了整個歐洲相關超導技術企業的快速發展。目前全球MRI市場約為每年300億人民幣，但遺憾的是，90%以上的市場份額被美國及歐洲的三家公司佔據（通用電氣，西門子，飛利浦）；強大的技術積累及研發歷史，使它們享有著這個產業最豐厚的利潤。

大科學工程引領超導技術發展的實例，不僅發生在國外。過去十年，我國參與了位於法國的國際熱核聚變實驗堆（ITER）項目，並投資十億美元，負責為ITER生產超導線材、電纜及超導線圈等組件。這期間，中國從無到有，培養並打造了一批國內的超導技術研究力量及企業。如西部超導公司，通過參與ITER項目，已經掌握了具備國際一流水平的超導線材生產技術；在ITER項目建設接近尾聲後，成功轉型為MRI磁體超導線材供應商；同時，西部超導在此過程中還成為國家急需的鈦合金材料的主要製造者。相信有了過去十年參與國際最前沿科技工作的積累，西部超導的未來可以走得更遠。我國產業如何實現從低端到高端的技術升級，佔據高端產業鏈？我認為，西部超導公司樹立了一個典範。

我國在超導材料及機理研究方面一直處於國際一流水平，如上世紀八十年代末，趙忠賢先生帶領的團隊發現液氮溫區高溫超導材料，並獲國家自然科學一等獎。然而可惜的是，在高溫超導材料的應用研究方面，國內卻與國外水平相差巨大，高溫超導材料市場基本被美國、歐洲、日本及韓國企業佔據。沒有明確應用目標的引領，使我國錯失了在高溫超導應用領域佔據一席之地的機會。2008年，趙忠賢院士團隊以及陳仙輝院士團隊發現了40K以上新型鐵基高溫超導體。鐵基超導材料因其潛在的機理上的優勢，有希望大幅度改善高溫超導材料的性價比，推動高溫超導技術的廣泛應用。但如果缺乏一個目標明確的應用項目引領，超導線材的研製方向以及投入力量等方面將存在非常多的不確定性，可能會使我國再次錯失佔據新型高溫超導技術領域一席之地的機會！

中科院高能所提議建設的CEPC-SPPC項目，在二期（SPPC）建設的過程中，需要數千個高場強超導磁體偏轉質子束流。此項目為超導技術研究單位及企業提供了一個目標明確的市場需求，必將推動相關企業和研究單位加大力量，更加精準地提高線材的性能以及提升線材的性價比，以達到項目所提的要求。事實上作為CEPC-SPPC項目關鍵技術預研的一部分，高能所正在聯合國內相關研究單位及企業，計劃成立「實用化高溫超導材料產學研合作組」，以促進國內相關大學、科研院所及企業在高溫超導領域從材料、機理、製備到應用的全鏈條合作，推動高溫超導技術的實用化和產業化進程。二十年後，SPPC項目建設時（如果得到國家批准），性價比得到大幅提升的新型高溫超導材料，不僅可以用在粒子加速器上，還有望廣泛應用到更高性能的核磁共振裝置、電機、電力工業（變壓器、限流器、儲能）等很多方面。這將引領相關領域的產業革命，推動我國在更多的產業全面掌握國際最領先技術，佔據產業鏈高端位置，為我國國民經濟的持續健康發展，為我國真正成為一個技術強國做出貢獻。

由此可以看出，不是所有的經費直接用在民生上就是最好的選擇。通過建設綜合了各種高精尖技術的大科學工程項目，如CEPC-SPPC等，可以帶動國內一大批中低端產業的技術升級，建立起更多的高新技術企業，並為廣大國民提供更多的高質量就業機會，為我國今後幾十年的健康穩定發展提供強大的科學技術保障，這才是目前我國迫切需要開展的工作。