稀土的不确定性
日期：2019年6月1日
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来源：李昭辉
译者注：就在中美两国围绕贸易战、5G技术、芯片和操作系统源代码等问题展开激烈交涉的同时，另一个之前不太为人关注的领域——稀土也逐渐成为了中美博弈的热点之一。有人认为，中国可以利用在稀土方面的某些优势对美国发起反击，对美国实施稀土禁运，因为相关数据显示美国对中国稀土高度依赖。实际上，美国有关方面（尤其是军方）对稀土问题一直高度重视，本文原文发表在2018年2月刊的美国《空军》杂志（AIR FORCE Magazine）上，原作者是《基督教科学箴言报》的编辑彼得·格里尔（Peter Grier），此人曾长期担任防务记者。翻译本文并不代表译者认可或赞同其观点，仅供有兴趣的读者参考。译文所配图片有改动。
“一大堆鲜为人知的化学元素对高级电子和军用系统而言是至关重要的。中国已经‘垄断’了这一市场。”
上图：位于中国内蒙古自治区白云鄂博地区的一处稀土矿。世界上90%的稀土氧化物和全球大部分最优质的磁性矿物均产自中国。
下面这些名词听起来好像是某部科幻小说中的内容：钇、镝、钐、钕……。它们就是稀土元素（缩写为REE）。很少有人听说过这些元素，但其在现代美国军事航空航天技术中却是至关重要的原材料。
就以激光为例：洛克希德·马丁公司正在研制一种小型的高功率激光武器，美国空军研究实验室希望到2021年在战术战斗机上对这种激光武器进行测试。这种武器的有源增益介质就是一种使用了稀土元素（如铒或钕）的柔性光纤。
稀土元素还被广泛用于不受极端温度限制的强磁性永磁体——它们可被用在导弹制导和控制系统（如翼面偏转装置）、飞机和坦克上的磁盘驱动器电机、卫星通信、雷达和声呐系统上，等等。
人们很容易想到，鉴于稀土元素对国家安全的极端重要性，这些元素以前均产自美国。上世纪60年代至80年代，美国在全球的稀土矿开采和生产领域居于“领导者”地位。
但现在情况却发生了巨大的变化。
近几十年来，中国已经成为世界上90%至95%的稀土氧化物的出产地，同时还是世界上性能最好的稀土磁铁的主要生产国。
许多美国官员和立法者都对这种情况表示了担心。他们正在推动提出解决方案——从关键矿物的储存到替代品的开发，以及重要的美国国内矿山的重新开放。
2017年5月，美国国会参议院情报委员会举行了一次听证会，听证会的主题是“对美国的全球性威胁”。中央情报局局长迈克·蓬佩奥（Mike Pompeo）在回应听证会的一项质询时说：“这是一个非常现实的问题，而且显然是以稀土元素为基础的。不幸的是，在很多能够确保我们国家安全的关键技术上，我们需要用到这些元素。”
稀土元素群由17种金属元素组成，其中15种属于一个被称为“镧系”的化学元素系列，另外2种是钪和钇。所有的稀土元素都具有类似的地球化学特征，而且它们普遍与铝土矿的化学成分相类似。稀土元素在原子结构上的细微差别导致它们具有不同的光学、电学、冶金学和磁学特性。这些特性使得它们具有了广泛的工业应用。
尽管其名字中有“稀”这一字眼，但其实稀土元素在地壳中的分布相对较为广泛。它们的分布和一些主要的金属（如铜和铬）一样广泛，甚至就连一些较为少见的稀土其分布也比金元素更为广泛。
稀土的“稀”源于这样一个事实，即在人们发现的稀土矿中，它们总是以极低的含量存在着，按重量计算，最高的也只有百万分之几百。这就使得将稀土元素与周围共生的其他元素分开极为困难，也导致将稀土元素制成有用产品的成本非常高。开发和建设大型稀土元素分离提纯的工业基础设施可能需要十年甚至更长的时间。
虽然大多数美国人都不熟悉稀土，但这些元素对一大批工业而言都是非常重要的组成部分。稀土元素具有非同寻常的物理和化学性质，将少量稀土元素与其他矿物质化合就会产生非常有价值的应用。
根据美国地质勘探局的一份资料，钇、铕和铽可用于制造发光材料，并用在现代电子产品中无处不在的平板显示屏上。玻璃工业是稀土的大用户之一，稀土元素可以对玻璃进行抛光处理，并让制成品具备某些颜色和特殊的光学特性。数码相机镜头中的镧含量可以高达50%。稀土还可在石油生产和汽车尾气转化器中用作催化剂。在稀土元素的帮助下，人们可以制造出更轻的打火石（一种人造合金）和节能灯。
不过，稀土元素增长速度最快的用途——也是对美国国家安全而言最重要的用途——就是制造轻便、坚固、耐用的磁铁。2011年，美国空军中校贾斯汀·戴维（Justin C. Dave）在空战学院的一份报告中写道：“特别值得注意的是，稀土合金是如何彻底改变了磁铁贸易，并随之影响所有依赖该产业的其他产品的。”磁铁，以及与之有关的电子元器件目前在消费类电子产品中是很常见的，并且在许多国防应用中也是不可或缺的。
与用任何其他材料制造的磁铁相比，钐钴磁铁的磁性更不易消退。这种特性被称为“高矫顽磁性”，意味着即使在高温条件下其也不会失去磁性。根据戴维的说法，这一特性使得钐钴磁铁在许多军事应用领域成了最佳的选择。
相比之下，钕铁硼磁铁具有令人难以置信的强磁性，同时重量还很轻——其磁性几乎是同等重量的传统铁氧体磁铁的10倍以上。这一特性使得它们非常适合在微小的电子元器件中使用，如磁盘驱动器。磁盘驱动器方面的进展是帮助人们在近几十年来实现了计算机驱动方面的创新的重要因素之一。
世界范围内对使用可再生能源的推动可能只会增加对不可再生的稀土磁铁的需求。例如，一辆丰田普锐斯在其混合动力系统中就使用了约0.91千克的钕。风力发电机也需要大量的钕——新型号的风力发电机中钕磁铁的使用量高达2吨。
相对而言，国防部门并不是稀土元素的主要使用者。根据一份美国国会研究服务处针对稀土问题所作的背景报告，国防领域消耗的稀土约占美国稀土消费总量的5%。但是，稀土是五角大楼麾下一大批武器装备和通用设备的必要组成部分。
在军事领域，从办公用的电脑到战斗机、舰艇和车辆，平板显示器和硬盘驱动器都有着广泛的应用。导弹上的制导和控制电机以及舵机也需要使用小巧但磁性强大的稀土磁铁。倘若没有了稀土元素的话，那么精确制导武器（如卫星制导的“联合直接攻击弹药”）就需要安装上体积更大、也更加昂贵的液压系统了。
为飞机提供电力的发电机都含有钐钴磁铁。有种通过产生“白噪声”（译者注：所谓“白噪声”是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声）来减弱直升机旋翼桨叶声音的隐身技术，这种技术也要用到类似的磁铁。F-22战斗机的尾翼和方向舵是用电机驱动的，而这些驱动电机上就采用了磁性强大的微型稀土磁铁。电子战干扰装置需要使用稀土材料，激光瞄准系统和新型激光武器也是如此。
根据美国国防部的数据，一架隐身的F-35“联合打击战斗机”需要使用约417千克重的稀土材料，一艘DDG-51“阿利·伯克”级驱逐舰需要使用约2359千克重的稀土材料，而一艘SSN-774“弗吉尼亚”级核潜艇则需要使用高达4173千克重的稀土材料。
上图：一架F-35隐身战斗机正在投掷一枚908千克重的GBU-31炸弹。每架F-35战机上含有近半吨重的稀土元素。
美国的承包商们能够迅速利用技术创新并将其转化为高质量的军用体系，这是美国国防的支柱和核心。有鉴于此，五角大楼在未来几年可能会更加依赖使用稀土材料的高科技磁铁、电机、激光器、电脑和电力驱动系统等。不过，如前文所述，美国本身已不再开采稀土矿石，或者是在稀土供应链的初级阶段对这种物质进行加工。目前的稀土矿石或稀土初加工产品几乎全部来自中国。
以国内需求和环境影响等为借口，中国的领导层在过去已经通过许可证、税收和全面配额等方式限制了稀土资源的出口。例如，2010年7月，中国宣布当年下半年的稀土出口量将比往年水平减少70%。
不久，2010年9月7日，一艘中国渔船与两艘日本海上保安厅的船只在两国争议海域发生了冲突。几天后，《纽约时报》报道说，为了就这一事件展开报复，中国已经开始限制向全球最大的稀土用户日本出口稀土。不过，在当年的11月份，北京方面恢复了对日本的出口，但在美国决策者当中，对类似事件的担忧已经显现了出来。
看上去，中国可能会把稀土元素当作21世纪的石油——这是一种可以用于多种用途的高需求产品。根据国会研究服务处报告中的说法，在华盛顿，这些事态发展“引起了人们的担忧，即中国可能试图利用其对稀土的控制作为杠杆来实现其政治和经济目标”。
虽然稀土元素在全球范围内都普遍存在，但根据美国能源部的资料，只有少数几个国家拥有成熟且具备开采意义的稀土储量。这些国家包括澳大利亚、印度、中国、俄罗斯、哈萨克斯坦和美国。
自从其成为重要的工业原料开始，直到上世纪80年代中期，美国一直主宰着世界稀土市场。迄今为止，美国本土最重要的稀土来源是加利福尼亚州的帕斯山（Mountain Pass）矿场。帕斯山位于加利福尼亚州偏远的东南部，离亚利桑那州不算太远，离内华达州南端只有约24千米。
上图：位于加利福尼亚州东南部的帕斯山露天稀土矿是美国最重要的稀土矿资源。
从帕斯山等露天矿中精炼出可用的稀土元素并不是一件容易的事。稀土矿石通常与含有放射性元素（如钍）的沉积物混合在一起。矿石会先被开采出来，然后被粉碎成细细的粉末，并通过一系列“水槽”，在这一过程中，稀土矿粉会浮在“水槽”的顶端，废弃物则下沉到“水槽”的底部。含有有害物质的废弃物会被泵送到料液贮槽中，稀土混合物则在窑炉内干燥，然后溶于酸中。最终会得到一些沉淀物，这些沉淀物中含有部分较纯的混合稀土金属氧化物，这些沉淀物最终会被过滤出来。
上述过程是颇为复杂的。当帕斯山矿场满负荷运转时，其每分钟可以产生约3218升含盐废水，这些废水通过管道输送到约17.7千米外的蒸发池。多年来，钍和铀会以水垢的形式沉积在管道内部。上世纪90年代，人们曾多次尝试着要清除生成的水垢，结果导致了管道的破坏，大量有害物质扩散到了环境中。
加利福尼亚州政府命令优尼科石油公司（该公司是负责帕斯山矿场稀土开采业务的莫利矿业公司的母公司）清理扩散出的物质。然而，到了2002年，优尼科公司已经没有足够的空间来储存废弃物了，因为其废物储存池已经满了，而且无法获得许可证来建立新的储存设施。最终，由于财务状况不佳，帕斯山稀土矿场被关闭。
就在帕斯山稀土矿场被关闭的同时，中国已经崛起成为世界上稀土生产的领头羊。目前最大的稀土矿位于中国内蒙古自治区的白云鄂博。有开采价值的“重稀土”（译者注：稀土类元素可分为轻、重两组，其中钆及钆以后的铽等9种元素为重稀土元素）集中分布在华南地区，如湖南、福建等省。根据一份研究中国稀土工业和出口制度的国会研究服务处报告的说法，中国几乎拥有世界上全部已探明稀土储量的一半。
直到上世纪80年代之前，中国实际生产的稀土数量都是微不足道的。此后，由于采矿和生产技术的改进，以及中国将工作重心转向了以市场为指导的经济建设，中国的稀土生产出现了爆发性的增长。1986年，中国超过美国，成为世界上最大的稀土生产国。从那以后，中国在世界稀土生产排名中始终处于第一的位置。
上图：1950年至2000年全球稀土氧化物的产量变化。
根据一些美国矿业高管和国会议员的说法，政府的大力支持、低廉的劳动力成本和宽松的环保标准是中国能够快速和长期地“统治”稀土行业的原因。例如，中国内蒙古自治区就拥有世界上最大的稀土尾矿库（译者注：所谓“尾矿”是指矿物分选作业产物中有用目标组分含量较低而无法用于生产的部分）。不过，建于上世纪50年代、面积达10.36平方千米的尾矿贮存地并未设置“保护衬里”。存放在该处的放射性废物正在逐步向附近的黄河蔓延，而黄河是下游数百万人的重要水源。
上世纪90年代，高高的利润率吸引着中国许多刚起步的企业进入了稀土领域。在价格突然崩盘之前，中国的稀土出口在2005年左右达到了顶峰，这也导致了一些外国稀土矿场（如美国加州的帕斯山矿场）破产。
从那时起，北京方面开始对稀土采取了更多的中央控制、合理化生产和税收措施，以限制出口。与2005年时的低点相比，由于供应收紧，稀土价格开始上涨。与此同时，中国已经开始提升自身的能力，如将稀土原材料加工成合金，然后再加工成成品。根据国会研究服务处的资料，中国目前生产的稀土金属合金约为世界总产量的90%。中国生产了全世界约75%的钕铁硼磁铁和60%的钐钴磁铁。
根据一些美国高管的说法，在2010年中国限制向日本出口稀土的背景下，其所要表达的信息已经很清楚了：如果说稀土材料是21世纪的石油的话，那么中国想要把石油开采、汽油精炼——也许还包括制造汽车——这一切都掌握在手中。
那份有关国防和稀土的国会研究服务处报告得出了这样的结论：“中国稀土政策的批评者们认为，中国方面的主要目的是吸引外资、高科技和绿色技术公司将其生产设施迁往中国，以确保他们能获得稀土元素，并为中国的高科技和绿色能源公司提供优惠待遇，以提高其全球竞争力。”
鉴于这种情况，五角大楼是否采取了什么措施来确保关键的稀土衍生产品的持续供应呢？根据一些国会成员的说法，其所做的是远远不够的。
2017年3月28日，美国参议院能源和自然资源委员会的全体成员就美国依赖外国矿产的情况举行了听证会，并重点关注稀土的情况。该委员会主席丽莎·穆尔科斯基（Lisa Murkowski）表示，她对所听到的情况感到沮丧。穆尔科斯基是阿拉斯加州共和党人，其所在的州本身就是一个拥有稀土资源的州。她还说：“事实上，我们并没有减少依赖，而是增加了依赖。我们的依赖从去年起就开始增加了。我们在这个问题上没有取得任何进展。”
美国国会对稀土问题感兴趣并不是一件新鲜事。长期以来，立法者们一直在敦促五角大楼采取更加有组织的方法来确保稀土供应安全，这是对2010年中国限制稀土对日出口而做出的反应。至少从2011年以来，《国防授权法案》中通常会包含“指示五角大楼确定哪些稀土元素具有战略价值”的字眼，以及如何堵上稀土供应链中的漏洞。2012财年的《国防授权法案》中还包括这样一项规定，即要求国防部长向国会报告回收、再处理和循环利用稀土元素的可行性，包括那些用在国防部荧光照明设施上的稀土元素。
对于五角大楼是否满足了这些要求，人们的意见不一。美国政府问责办公室在2016年2月的一份报告中评估说，五角大楼没有满足这些要求。问责办公室这份研究报告的结论是：“美国国防部没有全面的、整体的方法来确定哪些稀土元素对国家安全至关重要，也没有在潜在的供应中断后如何确保持续可靠的稀土供应的方法。”
上述结论中的关键词可能是“全面的”。正如这份问责办公室文件中的说法，五角大楼中的很多机构正在致力于确定重要类型稀土的需求和应对不足的可能方法，但他们的工作是“分散的”。美国国防后勤局有条理地分析了稀土方面的风险，但只是在一个四年的时间框架下进行的。制造业和工业基础政策办公室依靠其他资料评估了风险，并提出可依靠公开市场来解决供应中断的问题。战略物资保护委员会则还没有制定出一个总体框架来缓解这个问题。
国防后勤局确实保留了一些战略物资储备，其中就包括一些稀土元素。2016年，该机构签署了若干多年采购氧化钇和镝金属的新合同。但近年来，稀土储备的压力可能已因为公开市场供应方面的宽松而得到了缓解。
根据国防部负责采购、技术和后勤的副部长在2016年9月提交的一份《年度工业能力报告》中的说法，自那时以来，“全球稀土市场发生了重大的变化。来自更多元化的生产基地的市场供应，加上需求量下降导致了多种稀土材料的全球性盈余。”在2006年至2016年这十年的大部分时间里，稀土的价格保持了相对的稳定。
但是，最近情况发生了变化，从2016年初到2017年秋季，稀土的价格下降了约65%。而且，随着绿色能源的兴起和电动车的普及导致的需求增加，投资者在未来可能会看到稀土价格发生更进一步的上涨。例如，麻省理工学院的一项研究表明，随着风力发电机和电动机的数量激增，对镝的需求量在未来25年内可能会增长2600%。在这种情况下，一些业界官员说，政府获得加州帕斯山稀土矿场的所有权也许是一个好主意。
2017年7月，美国元素公司的负责人迈克尔·希尔弗（Michael N. Silver）与白宫官员进行了会面，旨在让后者对这次收购产生兴趣。但由于遭受了另一次破产，重启帕斯山稀土矿的努力在2015年失败了。该矿已被多家企业买下，其中一家据称与中国政府有联系。
从长远来看，美国的多家实验室正在研究从煤炭及其相关副产品中提取稀土元素的可能性。根据美国国家能源技术实验室提供的数据，按现在的消费水平计算，当前美国已探明的煤炭储量中含有的稀土元素约可供美国使用1000年。
在2017年4月26日举行的一场听证会上，众议院亚太外交事务小组委员会主席特德·约霍（Ted Yoho，佛罗里达州共和党人）说：“我认为，我们这个国家目前正处在这样一个节点上——这也是我们在这次听证会上要谈到的事情，即我们需要为美国制定稀土方面的国家安全政策……如果美国政府没有开会探讨我们要在不依靠任何其他国家的情况下获得和保护我们所需的稀土金属的话，那我们就太愚蠢了。”
然而，就目前来看，国防用途的激光器、电池、显示器、磁铁和其他元器件（在某些先进的武器系统中含有数千公斤重的稀土元素）将继续在由一个国家——中国——主导的不确定市场上被采购。
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