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中科院院士沈保根:揭秘“稀土”背后的故事

来源:浙江新闻客户端 日期:2022-09-15 加入收藏


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  人物简介:沈保根,浙江平湖人。中国科学院院士,发展中国家科学院院士、中国科学院物理研究所研究员、中国科学院大学教授、中国科技大学物理学院院长。主要研究方向为磁性物理与材料、稀土资源开发与利用等。

  浙江新闻客户端:我们普通人认识稀土,更多是从战略资源的角度去看待的。稀土是什么?您能给我们科普一下吗?

  沈保根:稀土是元素周期表中15种镧系元素以及钪和钇共17种元素的总称。由于独特的物理化学性质,稀土成为制造许多高科技产品与支撑众多新兴产业的关键基础材料,被誉为“新材料之母”。

  稀土是一种不可再生的战略资源。它广泛应用在航空航天、能源、交通、通讯、制造(尤其是高端制造)、生物、光学、超导、医学等方面。所以有的人把稀土理解为“现代工业维生素”“万能之土”和“21世纪新材料宝库”。

  北美、拉丁美洲、欧洲、亚洲、非洲、大洋洲……全球好多地方,都有稀土。所以稀土并“不稀”,但是真正适用的、能够有开采价值的数量,其实并不多。

  目前,世界上已发现的稀土矿物和含稀土元素矿物有250余种。稀土含量较高的,就是我们说的价值比较高的,占的比率很低,也就是6%不到,加起来也就五六十种。这五六十种矿物中间,作为矿物质且有开采价值的,大概就10来种。原因是,稀土在全球不同矿藏中分布广泛,但是有的含量太少,没有开采价值;有的虽有开采价值,但是开采成本又非常昂贵。

  浙江新闻客户端记者:您是稀土材料专家。请问:目前,稀土资源在全球的分布以及世界各国稀土产业发展状况又是怎样的?

  沈保根:稀土在全球分布极不均。世界上已发现的大、中型稀土矿床,集中分布于加拿大、美国、巴西、格陵兰、俄罗斯、印度尼西亚、越南、朝鲜、蒙古、中国、肯尼亚及澳大利亚等国家和地区。

  全球目前已探明的稀土资源总量共有1.2亿吨。我国含量4400万吨,约占全球1/3;巴西和越南,各有2200万吨;俄罗斯为1200万吨;印度690万吨;澳大利亚340万吨;美国140万吨。

  我国稀土在全世界有着举足轻重的地位。自上世纪80年代末,我国开始在稀土资源开采、冶炼分离和材料生产等领域建立了全球优势地位。自1995年以来,中国一直保持着全球稀土市场供给度90%以上的领先地位。中国出口的稀土资源主要销往美国、日本、韩国、法国、意大利和荷兰等70多个国家和地区。

  在我国,稀土在北方、南方都有。北方的稀土,以轻稀土为主,主要含量为镧(La)、铈(Ce)、错(Pr)、钕(Nd)等元素;它们往往和其它矿藏一起,形成共伴生的稀土矿。轻稀土矿以包头白云鄂博矿(占84%)、山东微山矿(占8%)和四川牦牛坪矿(占3%)为代表,这3个矿的轻稀土储量占全国轻稀土总储量的94%以上。

  稀土在我国南方总量不多,大概在3%左右,主要是重稀土。重稀土矿集中分布于江西赣南、广西桂西与桂东南、广东粤北、福建闽西等南方7省(区)。其中以江西赣州的离子型稀土矿储量最多,占该类矿床总储量的1/3以上。

  随着我国一系列稀土管制政策的实行和世界主要工业国家轻稀土矿山的相继开发与供应,未来世界轻稀土生产依赖中国单边供应的格局将有所变化。但中国在全球重稀土的供应上,仍将长期占据主导地位。

  已经可以看到的是,随着我国稀土科技创新、资源和产业发展态势越加有序,我国在国际竞争中的话语权越发增强。加之稀土在信息、新能源和智能制造行业的需求持续增长,以美日为核心的西方国家加大了对稀土科技的投入,加紧了对稀土资源的开采,加强了稀土应用技术和产业发展,意在逐步摆脱对我国稀土资源的依赖,建立他们自主可控的供应链和产业链。为此,我们必须精准识变、科学应变、主动求变,未雨绸缪,更加积极主动地应对未来可能的风险和挑战。

  浙江新闻客户端记者:前一阵子有一则新闻引发了中国网友的广泛关注。7月初,据海外媒体报道,位于土耳其西北部的埃斯基谢希尔省发现大量稀土资源,其储量可满足全球1000年的需求。有人说,这会影响我国稀土在全球产业界的地位和稀土产业链关键产品贸易网络。果真如此吗?

  沈保根:稀土并“不稀”,它在地球上的分布还是很多的。全世界稀土矿物和含稀土元素矿物共有250余种,但绝大部分是没有开采价值或没法开采利用的。只有10来种有开采价值。

  关键问题在于,如果稀土的量很多、很大,但是开采不出来或者不具备开采条件,那又有什么用呢?不光土耳其,比它更早的时候业内也说在日本外海的某个海洋的底下,发现了非常多的稀土,那也没法开采呀。

  轻稀土矿物它们往往和其它矿藏一起,形成共伴生的稀土矿。稀土矿,往往含有70多种元素。相当于开采时,把这70多种元素都一起开采出来了。这么多元素中,有的虽然不是稀土元素,比如说铌和萤石等等,它们也非常有用。

  所以作为科研工作者,我们给国家提出的建议是:我们不是开采得越多越好,而要把开采出来的各种元素矿物尽量利用好,提高单位利用率。

  浙江新闻客户端记者:随着稀土产业的发展,全球各国对此也越来越重视。目前,我国稀土产业面临的挑战有哪些?

  沈保根:在稀土资源端,我国的资源优势正在受到挑战。近年来海外稀土资源开发发展迅速。氟碳铈矿、独居石和离子吸附型稀土矿是全球主要开采应用的稀土资源矿种。近年,美国的氟碳铈矿和澳大利亚的独居石矿开采量稳步提升,相应产出的轻稀土产品在国际市场已对我国稀土产品形成竞争冲击。

  在稀土应用端,我国在稀土磁性材料、催化材料、光学材料以及抛光材料等功能材料的研发和生产水平,已经实现了从跟跑向并跑的转变,有些领域已处于领跑位置,相关材料的产量和质量具有国际话语权。然而,我国在一些高性能材料和器件的核心制备和装备技术方面依然需要大力发展。

  此外,我国稀土资源的有序开采、供应和功能材料产业的持续发展,拉动了国际市场稀土价格的连年提升。美日澳等国开始打造盟国内部循环的稀土资源开发投入,旨在摆脱对我国稀土供应的依赖,尽快追赶和超越我国最后达到反制我国的目的。这也是我们面临的又一个新的挑战。

  浙江新闻客户端记者:对此,今年上半年您和几位院士一起,联合提交了一份报告,里面提到了我国稀土产业发展的对策建议。能跟我们说说主要内容吗?

  沈保根:因为我们是中国科学院学部院士团队,我们承担的一项使命就是给国家提供咨询和建议。

  你刚才提到的这个报告,再加上我们原来写的其他报告。其中有些就涉及我国稀土的综合利用问题,其基本意思就是:

  我们要重视稀土资源。既然它作为战略资源这么重要,那么我们如何保护好、应用好它,使它更好地为我国的经济发展和国防建设服务?

  稀土共有17种元素,基本是和其它矿藏共伴生的。它在矿中的丰度(指比例)各不相同,具体应用时也即我们要把它做成新材料时,不同的元素,其表现出来的性质和功能就不一样。比方说,镨(Pr)、钕(Nd)可以用来做稀土永磁材料,跟它们在同一矿中开采出来的元素如果当作尾矿,仅仅只是堆在那里,那将是对资源的巨大浪费。这就得解决一个对矿产资源综合且平衡利用的问题。

  还有,这样的元素用在其他的地方行不行呢?对此,我们做了很多研究,证明这种综合利用是可行的,这叫矿物元素的综合利用。

  另外一个非常重要的问题是:稀土资源,它毕竟是矿藏里开采出来的。开采也好,冶炼也罢,以及分离,都要涉及到“环境保护”的问题。如果我们把矿藏开采出来了,稀土资源也分离出来了,但却把环境给污染了,那就得不偿失了。所以在开采过程中,如何保护好环境,使得它既利用得好,也不影响生态环境,这也是非常重要的一个方面。

  第三个,就是人才的培养问题。我们还提出:人才的培养非常重要。我们希望在这个领域,能够多多培养一些年轻人,多多培养一些优秀的科学家投身其间,以期加快这个领域的发展。

  浙江新闻客户端记者:您是国内磁学领域“泰斗”级专家。8月11日,浙江省宁波市镇海区人民政府与中科院宁波材料所,就联合共建磁性材料应用技术研究中心镇海基地正式签约。据我们了解,浙江的稀土资源并不多,这个“镇海中心”今后主要做些什么?

  沈保根:我国已建立起全球最完整的稀土产业链和规模最大的稀土产业,每年以原矿、冶炼产品、功能材料、永磁体、永磁电机、风机、电动车等多种形态的产品向世界提供了大量的稀土资源,为支撑全球碳减排做出了巨大贡献。

  说得更仔细一些,稀土到底用在什么地方?

  主要用在磁性,这也是我的主要研究方向。磁性中间一个重要的应用,就叫稀土永磁材料,它占到整个新材料类应用的60%以上。而永磁材料的稀土用量,又占到整个稀土用量的四成以上。

  磁性的应用面非常宽泛。只要是带有运动的这样一些部件,即能量转化,就要用到永磁。能量转化中间,最主要的就是要用到稀土永磁电机,它有着如下优点:效率高、体积小。

  稀土永磁电机的应用有多广泛?可以说,它的应用行业已经影响到国民经济的发展。因为稀土永磁应用到电机上,它的效率特别高,它的能量转换效率可以达到90%以上,最好的可以达到98%以上。目前在我国,常用普通电机的平均效率为70%多一点。两相比较,两者的能量转换效率相差了20%左右。没有转换的那部分能量,就变成了热量,成了一种损耗。所以用稀土永磁电机来代替传统常规电机,那就起到了节约能量的作用。

  经测算,我国工业电机用电量占到全社会用电总量的60%以上。如果所有电机都换成稀土永磁电机,效能从70%多一点提高到90%多,其节约的用电量相当于8个三峡发电总量,有利于我们早日达到“双碳”目标。当然,这需要一个过程,短期内还不大可能实现。

  我是申请了浙江省的“鲲鹏计划”。我们还是想把自己的研究成果,很好地用起来。在浙江省“鲲鹏计划”支持下,宁波市给予了一些配套政策支持,所以就在宁波成立了一个磁性材料应用技术研究中心。

  为什么会在宁波这个地方做呢?

  宁波市并没有稀土资源。但当地在稀土产业制造方面的加工和应用却做得很好。比如稀土永磁的生产基地在宁波,其生产量占到全国的40%以上。

  中心工作分为两个部分:一部分是做材料,涉及到我刚才所说的稀土永磁材料和稀土永磁铁氧体材料;我们主要是做材料的性能提升。就是有的领域、有的行业出口量很大,由于他们掌握的材料性能水平不够高,利润很薄。这是材料领域相对普遍存在的一个问题。希望通过我们的研究,大幅度提升材料的制造水平和性能,性价比更好,企业效益更高。

  另一个方向,是做材料的应用研究,涉及磁动力有关的应用领域。比如说:永磁材料在电机中的应用,这对我国的工业发展、国防建设都有重大意义。

  新成立的磁性材料应用技术研究中心镇海基地,主要就是做这些研究工作。其成果应用,是面向全国的。

  浙江新闻客户端记者:您一直从事材料科研工作。其中的酸甜苦辣,您体会最深的是什么?

  沈保根:我是一个农民的儿子,从浙江平湖农村出来的。小时候家里条件非常艰苦,兄弟姐妹四个,我是老大。对我来说,念好书、上大学几乎就是唯一的出路。它锻炼并让我养成了吃苦耐劳、积极向上的品质。

  后来我上了大学,又开始做起了研究工作,这是一件非常高兴的事情。因为觉得自己能够为国家作贡献了。

  我记得自己刚参加工作时,因为年轻嘛、身体底子也不错,感觉自己有使不完的劲儿。每天学习、工作都很努力,白天黑夜地干。那时,我晚上都是睡在实验室的,一点都不觉得辛苦。条件再艰苦都没关系。

  做科学研究,尤其是物理学方面的,你要想做一点事情,不付出努力是很难成功的。很多时候,即使付出了努力也不一定就会成功。

  同一个研究领域,你想想看,全世界有多少人都在研究同一个事情。比如说:我是做磁性物理学研究工作,凝聚态物理的一个分支学科之一。全世界有多少实验室的研究人员在研究这个方向的事情啊!这时,你想做得比别人好,怎么办?不去好好努力,那真的是很难成功的。

  做科学研究永远是“只有第一,没有第二”,所以我们得想办法去不断创新;不创新,科学研究就没有任何价值。在我们中科院物理所这样的单位,每个人做的事情,就要树立这样的奋斗目标:一定是得在国际上处于领先的、“第一”的位置。

  这些年来,我们已经在某些领域达到国际领先了。

  这里面,一个是有自己的努力,另一个是要养成安静地坐得下来的习惯,永远保持安心做研究的状态。

  我常常告诉自己的学生:我们做研究工作,一定要有一个体现人生价值的奋斗目标,就是真的要为我们国家发展和国防建设做一点事情。否则就没有意义了嘛。

  因为工作关系,我曾经接触到不少著名的大科学家、老科学家,像“两弹一星”功勋级人物。他们的人品、他们的家国情怀,那真是对我们影响非常大、非常深刻。他们就什么都不要、什么都不考虑。他们老一辈,就是这么为国家做事、为国家奉献的。

  现在我又组织了一个队伍,开始一项新的研究,目标是争取在国际上领先、不能落后。落后就要挨打呀。所以我总想为我国的经济发展和国防建设多做点事情。
  
 

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