美国能源基础科学竞争力分析及对我国的启示

吕凤先; 朱相丽; 刘小平

doi:10.15978/j.cnki.1673-5668.202204009

科学观察 ›› 2022, Vol. 17 ›› Issue (4) :76-80 DOI: 10.15978/j.cnki.1673-5668.202204009

科技战略与规划

美国能源基础科学竞争力分析及对我国的启示

吕凤先 ¹ ,
朱相丽 ¹^,² ,
刘小平 ¹^,²^,^*

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Analysis on Competitiveness of American Basic Energy Science and Its Enlightment to China

Lyv Fengxian ¹ ,
Zhu Xiangli ¹^,² ,
Liu Xiaoping ¹^,²^,^*

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摘要

[目的/意义] 基础研究是所有技术的发展基石,能源问题引起全球广泛关注,我国亟需系统评估能源基础科学的发展现状和国际地位。[方法/过程] 该文以美国能源部2021年发布的“美国能源基础科学是否具有竞争力”报告为基础,对比美国和中国的能源领域各子方向的发展现状和国际地位,提出了发展我国能源基础科学的建议。[结果/结论] 研究表明,在能源基础科学的5个领域中,美国当前在多数子方向上处于领导者或领先者地位,未来5~10年若干子方向存在落后风险。美国能源基础科学面临三大问题：先进研究设施面临增速缓慢、更新换代、缺乏支持等威胁;初级人才资助力度较低、缺少延续性,顶级人才计划受到其他国家相关计划的威胁;基础研究的成果转化和行业内的基础研究等环节比较薄弱。我国在能源基础科学5个领域存在薄弱子方向较多、国际人才引进遭遇瓶颈、初级人才挖掘与培养未获得充分重视、研究生态系统有待完善等问题。建议我国：加强能源基础科学5个领域的薄弱子方向的研究;加强大型设施和平台研究的环境创设,提升设施和平台的影响力;围绕薄弱环节引进顶尖国际人才,重视发掘、培养短缺初级人才;加强能源基础科学顶层规划,形成基础研究与产业研究并行发展的良性循环。

Abstract

[Objective/Significance] Basic research is the cornerstone of the development of all technologies, and energy issues have attracted extensive global attention. China urgently needs to systematically evaluate the development status and international status of basic energy science. [Method/Process] Based on the report "Whether American Basic Energy Science Is Competitive" issued by the U.S. Department of Energy in 2021, this paper compares the development status and international status of various sub-directions in the energy field of the United States and China, and puts forward some suggestions for the development of basic energy science in China. [Results/Conclusions] Research shows that in the five fields of basic energy science, the United States is currently the leader in most sub-directions or is in a leading position, and there is a risk of backwardness in some sub-directions in the next five to ten years. There are three major problems: advanced research facilities face threats such as slow growth, upgrading and lack of support; the funding for junior talents in the United States is low and lack of continuity, and the top talent program is threatened by relevant programs in other countries; the transformation of basic research in the field of energy basic research in the United States and the development of basic research in the industry are relatively weak. China also has many problems in the five fields of basic energy science, such as uncompitetive sub-directions, bottlenecks in the introduction of international talents, insufficient attention to the excavation and training of primary talents, and research ecosystem in needs of improvement. It is suggested that China should strengthen the research on the weak sub-directions in the five fields of basic energy science; strengthen the environmental creation of large-scale facilities and platforms, and enhance the influence of facilities and platforms; focus on the weak links, introduce top international talents, and pay attention to the exploration and training of short primary talents; strengthen the top-level planning of basic energy science and form a virtuous circle of parallel development of basic research and industrial research.

关键词

能源 / 基础科学 / 竞争力 / 美国 / 中国

Key words

energy / basic sciences / competiveness / United States / China

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吕凤先, 朱相丽, 刘小平. 美国能源基础科学竞争力分析及对我国的启示[J]. 科学观察, 2022, 17(4): 76-80 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202204009

Lyv Fengxian, Zhu Xiangli, Liu Xiaoping. Analysis on Competitiveness of American Basic Energy Science and Its Enlightment to China[J]. Science Focus, 2022, 17(4): 76-80 DOI:10.15978/j.cnki.1673-5668.202204009

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2021年10月,美国能源部发布“美国能源基础科学是否具有竞争力”报告,全面地分析了美国能源5个关键基础科学领域的发展现状。了解美国能源基础科学的国际地位、存在问题和发展对策可以为我国实现碳达峰和碳中和目标、从源头解决能源领域卡脖子问题提供参考。

1 美国能源基础科学发展现状

1.1 美国能源基础科学5个关键领域的国际地位

能源基础科学的5个关键领域包含量子信息科学、能源应用科学、应用于能源和信息的物质基础、与工业相关的促进可持续发展的科学、先进研究设施。这5个领域具有前瞻性,也能代表能源基础科学的多个领域所面临的挑战。

量子信息科学领域。该领域聚焦量子计算、量子通信、量子模拟和量子传感。当前,美国在理论研究、实验和理论结合研究方向处于国际领导者¹(¹领导者地位和领先地位相比较,领导者指第一方阵中发展最好的一个或少数几个国家,领先者是指第一方阵中除领导者之外的其他国家。)地位,实验研究处于领先行列;未来5~10年,理论研究、实验研究、实验和理论结合研究将继续保持当前地位。

能源应用科学领域。该领域聚焦下一代能源存储和液态太阳能燃料的9个子方向。当前,美国在其中4个子方向处于领导地位,即兼顾高能量和高功率密度的下一代储能装置、设计功能性固体-电解质界面、基于新的介观尺度结构提升能源存储性能、人工光合成,并且在未来5~10年内将继续保持其领导者地位。在另外5个子方向,即基于多功能固体电解质研发安全的固态电池,在建模技术和表征工具研发中引入时空维度的电子、电化学和物理现象关联关系,揭示动态形成的界面复杂性,研发可自愈的、环境友好的、长寿命的、安全的储能装置,电化学（材料/催化）处于领先行列,未来5~10年,除电化学（材料/催化）外,其余子方向均面临落后的风险。

应用于能源和信息的物质基础领域。该领域聚焦纳米科学、神经形态计算、量子材料、介尺度科学。在纳米科学和神经形态计算方向,美国在当前以及未来5~10年将处于领导地位。在量子材料方向,美国在当前处于领先行列。

与工业相关的促进可持续发展的科学领域。该领域聚焦聚合物循环、电催化、碳捕获、变革性制造等。在聚合物循环方向,美国当前处于领先行列,未来5~10年领先地位将有所提升。在电催化的能量转换方向,美国当前处于领先行列,未来5~10年将维持其领先地位。而在碳捕获方向,美国当前以及未来5~10年面临落后风险。

先进研究设施领域。该领域聚焦自由电子激光和同步加速器X射线源、用于中子散射的反应堆和散裂中子源、电子显微镜等。在X射线自由电子激光、电子显微镜科学、同位素生产、材料辐照方向,美国当前处于领导地位,未来5~10年将继续保持领导地位。在超快电子衍射/散射方向,美国当前处于领先行列,未来5~10年则面临失去领先地位的风险。在中子散射领域,美国当前处于领先行列,但存在落后风险,未来5~10年仍然面临失去领先地位的风险。在电子显微镜设备领域,美国当前处于落后地位,未来5~10年仍面临落后风险。

1.2 美国能源基础科学存在的问题与拟采取对策

1.2.1 美国先进研究设施面临增速缓慢、更新换代、缺乏支持等威胁,正在失去国际领先地位

先进研究设施面临的主要问题：（1）美国现有2个X射线自由电子激光和8个仪器,预计未来10年增长速度缓慢。美国现有同步加速器X射线源实验站/光束线数量约186个,相比2000年,数量变化不大,世界占比由35%降至21%（2020年）。（2）美国散裂中子源和高通量反应堆中子源处于待升级、更换阶段,竞争力远远落后于欧洲。（3）在先进计算设施领域,美国在人工智能、大数据分析等子方向不占据领先地位。（4）美国先进研究设施缺乏人力资源、仪器、运营创新和科学项目方面的新投资和长期规划。设施的科学影响和研究能力正在或已经失去国际领先地位,不具有高影响力设施所具备的特征,设施工作人员、科学家在开发新的研究方向和工具、与用户有效互动方面有所欠缺。

能源部拟采取的措施：（1）升级X射线同步光源、反应堆中子源,开发新的反应堆并取代老化设施。（2）加强电子显微镜设备、纳米中心、计算设施投资。（3）能源部基础能源科学办公室加强关注加速器科学的电子显微镜和光源子方向、先进计算的人工智能和大数据分析子方向。（4）创设良好的设施研究环境,使设施具有高影响力。

1.2.2 美国初级人才资助力度较低、缺少延续性,顶级人才计划受到其他国家的威胁

在初级人才层面,美国能源部的早期职业研究计划存在资金总量低、资助模式受到事先设定的优先顺序的限制、不具有延续机会等问题。在顶尖人才层面出现顶尖科学家流失的现象。对美国形成威胁的计划主要有：欧盟的欧洲研究理事会的计划、中国的千人计划、新加坡的归国科学计划、澳大利亚的桂冠奖学金计划、加拿大的研究主席计划、韩国的基础科学研究所的计划等。

美国能源部后续拟采取的措施有：（1）提高其早期职业奖的金额,为早期职业奖获得者提供后续资助。（2）设立高级研究员奖并给予大力度资助。

1.2.3 美国能源基础研究领域尚未形成包含“基础应用”和“产业化研究”的生态系统

缺乏“基础应用”是指基础研究面临工业化问题。缺少“产业化研究”是指,美国工业界的研究生态系统仅有应用研究,不含或者较少包含基础研究、应用启发的研究。目前已经采取为工业界举行大型研究设施培训班等措施。未来能源部拟进一步采取的措施有：（1）在设施的评估中审查设施与工业联系的建设性;确保大型设施的科学家能与学术界、工业界的科学家有效互动;确保科学家能够使用日益复杂的大型设施。（2）确保工业研究人员尽早参与到基础研究中来。

2 我国能源基础科学发展现状及建议

2.1 我国能源基础科学发展现状

我国在能源基础科学5个领域的薄弱方向有待发展,人才和研究生态系统有待完善。

量子信息科学领域。我国在量子通信、量子计算优越性领域取得重要突破,量子信息科学领域的高被引论文数量迅速赶超美国。我国在量子计算机的误差表征与纠错、量子计算专用低温平台及量子精密测量等方向落后于美国,我国量子计算机的综合性能仍有待提升。

能源应用科学领域。我国在能源存储、膜研究、电化学子方向的高被引论文数量迅速赶超美国,在膜研究领域国际会议中获邀发言的研究人员数量仅低于美国和欧盟,在介孔材料、纳米限域催化（2020）子方向的研究被授予国家自然科学奖一等奖。但是我国在介孔材料合成、固态电池研发等方向面临挑战。

应用于能源和信息的物质基础领域。我国在铁基高温超导的研究被授予国家自然科学奖一等奖（2013）,在拓扑材料的研究中获得重要突破,在纳米能源领域我国研究人员获得能源领域最高奖埃尼奖（2018）。我国在纳米结构的制备与表征、高温超导机理研究等方向落后于美国。

与工业相关的促进可持续发展的科学领域。我国的聚合物循环的高被引论文数量迅速赶超美国。我国在聚合物的再利用、复杂电催化反应过程的理解、碳捕获等方向面临挑战。

先进研究设施领域。我国X射线自由电子激光器的性能接近美国升级后的性能,我国基于X射线、中子源等大型设施产出的电化学和聚合物循环的TOP1%高被引论文数量与美国持平,而量子信息、能源存储、量子材料方向的TOP1%高被引论文数量落后美国较多。我国在散裂中子源、电子显微镜、同位素大规模生产等方向落后于美国。

现阶段,我国已采取措施加强力度吸引国际人才、调整研究生态系统。但在顶尖国际人才引进、青年人才培养、研究生态系统融合等方面有待进一步完善。

2.2 发展我国能源基础科学的建议

针对我国能源基础科学发展所面临的部分子方向的研究有待加强、大型研究设施的影响力有待提升、人才队伍及研究生态系统有待完善等问题提出如下建议。

（1）加强能源基础科学5个领域薄弱子方向的研究。

在能源基础科学的发展中,美国重视量子信息科学、能源应用科学、能源和信息物质基础、与工业相关的促进可持续发展的科学、先进研究设施等5个领域的部署。建议我国加强量子计算、量子模拟、固态电池、纳米材料、超导材料、聚合物再利用、电催化反应、碳捕获、散裂中子源、电子显微镜等子方向的部署。

（2）加强大型设施和平台研究的环境创设,提升设施和平台的影响力。

本土的大型研究设施是开展前沿研究、取得世界影响力的主要和重要支撑。除了建设大型研究设施的前期规划之外,后期的人力资源、仪器设备、业务创新对重大成果的产出仍然具有关键作用。美国在大型研究设施的环境创设中,鼓励设备工作人员、科学家加强设施学术影响力。建议我国加强X射线自由电子激光装置等大型设施、大学和研究机构中的大型仪器平台的环境创设,使杰出的科学家既可以与用户互动,又可以开发新方法和新仪器,提升设施及平台的影响力。

（3）围绕薄弱环节引进顶尖国际人才,重视发掘和培养短缺初级人才。

从基础研究到工业化的创新过程需要各类型人才的协同。美国重视对晶体生长技术人才等初级人才的培养和顶尖国际人才的引进,世界各国都在争夺顶尖国际人才。建议我国聚焦研究生态系统的薄弱环节,基于现有人才基础,按人才梯度逐渐引进更高层次的顶尖国际人才;全面发掘并培养能源基础科学领域短缺初级人才。

（4）加强能源基础科学顶层规划,形成基础研究要与产业研究并行发展的良性循环。

我国在量子计算、固态动力电池技术、纳米技术、聚合物循环等领域存在产业化问题,新能源汽车废旧锂离子动力电池退役中出现的问题逆向证明了基础研究与工业界前瞻性合作的重要意义。我国现阶段缺乏能源基础科学的整体规划,这有可能导致在发展后期出现资源回收再利用困难、配套技术发展不能匹配研究成果转化需求,甚至卡脖子技术等问题。建议我国决策者联合研究人员、产业专家制定能源基础科学的整体规划,尽早布局。能源基础科学领域的研究人员与工业界加深合作,实现两者并行发展、相互促进的良性循环。