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资源科学 >

2023 , Vol. 45 >Issue 2: 344 - 360

DOI: https://doi.org/10.18402/resci.2023.02.09

资源管理

2011—2020年中国镥资源动态物质流分析

  • 谭雪萍 , 1, 2 ,
  • 耿涌 , 1, 2 ,
  • 肖诗茳 3 ,
  • 陈伟 4, 5
展开
  • 1.上海交通大学环境科学与工程学院，上海 200240
  • 2.中国矿业大学经济管理学院，徐州 221116
  • 3.上海交通大学国际与公共事务学院，上海 200030
  • 4.上海交通大学安泰经济与管理学院，上海 200030
  • 5.山东师范大学地理与环境学院，济南 250358
耿涌，男，山东文登人，博士，教授，博士生导师，研究方向为环境管理及政策研究。E-mail:

谭雪萍，女，四川射洪人，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为气候变化政策与矿产资源管理。E-mail:

收稿日期: 2022-08-03

  修回日期: 2023-01-29

  网络出版日期: 2023-04-25

基金资助

国家自然科学基金项目(72088101)

国家科技重点研发计划项目(2019YFC1908500)

江苏省自然科学基金资助项目(BK20221152)

收起

Dynamic material flow analysis of lutetium resources in China during 2011-2020

  • TAN Xueping , 1, 2 ,
  • GENG Yong , 1, 2 ,
  • XIAO Shijiang 3 ,
  • CHEN Wei 4, 5
Expand
  • 1. School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
  • 2. School of Economics and Management, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China
  • 3. School of International and Public Affairs, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
  • 4. Antai College of Economics & Management, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
  • 5. School of Geography and Environment, Shandong Normal University, Jinan 250358, China

Received date: 2022-08-03

  Revised date: 2023-01-29

  Online published: 2023-04-25

Fold

摘要

【目的】稀土镥是全球新材料产业的关键矿产之一，厘清镥资源在中国社会经济系统的代谢过程及动态演变规律是保障中国镥资源供应安全的重要基础。【方法】运用动态物质流分析法，本文定量刻画了2011—2020年中国镥资源的物质代谢全景图，追踪了镥资源在全生命周期各阶段的流动规律及关键驱动因素，分析了镥资源的存量分布及报废量，并提出针对性的镥资源管理建议。【结果】①2011—2020年中国镥资源的消费量持续增加，且在核医疗器械和激光器等新兴产业的消费占比稳步上升，其中正电子发射断层成像设备（PET）的消费增速最快，是镥资源的“明星”产品。②镥产业具有典型的需求驱动特征，新兴产业政策刺激终端产品消费量及其结构演变，并进一步驱动中上游的资源与材料供应。③中国镥资源的对外依存度大幅上升，进口成为满足国内强劲需求的重要途径，国际贸易政策及地缘政治风险是影响镥资源国际贸易格局的重要因素。④中国镥资源的社会存量和理论报废量均呈直线上升趋势，具有可观的二次资源开发潜力。【结论】在人口老龄化和产业政策的驱动下，中国镥资源的新兴战略价值正在凸显，具有多元化和高端化的应用趋势。然而，中国镥资源的国际供应依赖性较高，且缺乏二次镥资源循环体系，存在较强的供应风险。动态监测镥资源物质流、提升高端镥基产品研发制造能力、开发二次镥资源等，有望促进中国镥产业的可持续发展。

关键词： 动态物质流分析; 镥资源; 重稀土; 全生命周期; 流量; 存量; 中国

本文引用格式

谭雪萍 , 耿涌 , 肖诗茳 , 陈伟 . 2011—2020年中国镥资源动态物质流分析[J]. 资源科学, 2023 , 45(2) : 344 -360 . DOI: 10.18402/resci.2023.02.09

Abstract

[Objective] Lutetium is one of the key minerals for the global new materials industry, and clarifying the metabolic process and dynamic evolution of lutetium resources in the socioeconomic system is an important basis for securing the supply of lutetium resources in China. [Methods] Using dynamic material flow analysis, this study quantitatively portrayed the material metabolism panorama of lutetium resources in China from 2011 to 2020, traced the flow patterns and key drivers of lutetium resources in each stage of the whole life cycle, analyzed the in-use stock and end-of-life of lutetium resources, and proposed targeted recommendations for lutetium resource management. [Results] This study found that: (1) The consumption of lutetium resources in China continued to increase from 2011 to 2020, and the proportion of consumption in new industries such as nuclear medical devices and lasers was steadily increasing, with the fastest growth rate in the consumption of positron emission tomography equipment (PET), which is the “star” product of lutetium resources. (2) The lutetium industry was typically demand-driven, with emerging industrial policies stimulating end-product consumption and its structural evolution, and further driving the supply of upstream resources and midstream material. (3) China’s dependence on external lutetium resources has increased significantly since imports have become an important way to meet strong domestic demand, and international trade policies and geopolitical risks are important factors that affect the international trade pattern of lutetium resources. (4) The in-use stock in society and theoretical end-of-life of lutetium resources in China from 2011 to 2020 showed a linear rising trend, with considerable potential for secondary resource development. [Conclusion] Driven by the aging population and industrial policies, the emerging strategic value of lutetium resources in China is coming to the fore with diversified and high-end applications. However, the high international supply dependence of Chinese lutetium resources and the lack of a secondary lutetium resource recycling system present significant supply threats. Dynamic monitoring of the material flow of lutetium resources, upgrading the R&D and manufacturing capacity of high-end lutetium-based products, and developing secondary lutetium resources are expected to promote the sustainable development of China’s lutetium industry.

Key words： dynamic material flow analysis; lutetium resources; heavy rare earths; whole life cycle; flow; stock; China

1 引言

在当前全球第四次工业革命叠加第六次科技革命的背景下，新兴产业带动了对锂、钴、镍、稀土等稀有稀散矿产资源的强劲需求。关键矿产资源作为国民经济、国防建设、人类健康的物质基础，已成为大国博弈的焦点[1,2]。稀土是元素周期表中17种元素的总称，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）、钪（Sc）、钇（Y）[3]。因其特殊的电、磁、光与催化性能，稀土被誉为“新材料之母”。每种稀土元素均具有独特的物理化学性质，是信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等领域的关键基础材料[4]。
2017年1月，中国《新材料产业发展指南》指出，要突破重点应用领域急需的新材料，包括开展稀土闪烁晶体及高性能探测器件产业化技术攻关，满足医用影像系统关键材料需求。随着制备技术取得突破，稀土闪烁晶体的产量迅速增加，特别是硅酸钇镥（LYSO）晶体的中国产能在2019年已达15 t[5]，是制造正电子发射断层成像设备（后文简称PET）等核医疗器械的关键材料。因此，保障稀土闪烁晶体产业的战略资源供应安全对于促进中国产业升级和实施“健康中国”战略具有重要意义。
镥（Lu）是稀土闪烁晶体的关键矿产资源之一[6]。作为稀土元素中最硬和最致密的金属，镥资源价格高昂( 上海金属市场数据显示，截至2022年6月22日，全球最昂贵的3种稀土氧化物包括氧化铽（约14200~14500元/kg）、氧化钪（约6500~7000元/kg）和氧化镥（约5250~5350元/kg）。)，丰度极低，主要赋存于中国离子型稀土矿（配分约0.12%~0.47%）和马来西亚磷钇矿（配分约1%）[7]。镥是高能物理实验、核医学成像、安全检查和地质探矿等领域的关键矿产资源[8]，其最大的应用热点是以硅酸镥（LuSiO2, LSO）和铝酸镥（Lu3Al5O12, LuAG）为代表的镥基闪烁晶体，用于制造PET的关键部件探测器[9]。此外，镥的用途还包括：①制造特种合金，用于磁性材料、超导材料、发光材料及中子活化分析仪的核反应堆中子探针[10,11]；②用作石油炼制和化工合成催化剂[12]；③作为磁泡贮存器的原料[13]；④作为钇铁或钇铝石榴石的添加剂，制造固定激光器的核心元件稀土激光晶体[14]；⑤制作镥掺杂铈基碳酸盐复合材料，用于能源电池生产[15]；⑥制作荧光粉激活剂，用于高能粒子和X射线探测[16]；⑦制作177镥氧奥曲肽，用于医用同位素的肿瘤放射性治疗[17]；⑧用于科学研究等[18]。
现有文献对镥资源的研究相当有限，主要集中在：①镥元素特征及应用领域[7]；②部分镥基产品的制备过程及特性，如镥基合金[11,12]、镥基闪烁晶体[6]、镥掺杂铈基碳酸盐复合材料[15]、氧化镥基闪烁透明陶瓷[16]；③氧化镥回收技术[19]。但尚未探究镥资源在社会经济系统的物质代谢过程及资源管理问题，无法为保障镥资源的供应安全提供针对性的数据参考和政策建议。鉴于此，本文将聚焦对中国镥资源的代谢过程及动态演变规律的刻画。
物质流分析（Material Flow Analysis, MFA）是量化资源流动、分析资源效率、评估工业生态系统可持续性的重要工具[20]。从时间角度来看，物质流分析可分为静态（Static MFA）和动态（Dynamic MFA）两种[21]。静态物质流描述特定时间范围内（通常是1年）物质的流动和库存情况，不考虑物质的平均使用寿命，仅基于简单的质量守恒定律来理解系统，而动态物质流模型中的物质存量和流量有可能取决于系统以前的所有状态，因此更关注系统内流量和存量的变化趋势，可以对未来一定时间内的发展趋势进行情景模拟[22]。目前，动态物质流分析被广泛用于分析钢[23]、铜[24]、锌[25]、铝[26]、钴[27]、钒[28]、钨[29]、铅[30]、镍[31]、铌[32]、锂[33]、钛[34]、铬[35]、铂金[36]等金属资源的社会代谢规律，并逐渐用于稀土资源管理。具体而言，现有文献主要基于全生命周期视角对全球、中国、美国、欧盟、日本等范围的稀土资源进行研究，研究内容包括：①稀土资源效率分析[37]；②稀土未来需求预测[38⇓-40]；③稀土物质流核算，主要涉及钕[41,42]、铽[43]、钇[44]、铕[45]、钐[46]、镝[47]、镧[48]等元素。
本文首次基于全生命周期物质流分析视角，运用动态物质流分析法，定量核算2011—2020年间中国镥资源的流量及存量，刻画镥资源在中国经济社会中代谢的全景图，追踪镥资源在采矿、分离、加工、制造、使用、废物与回收6个阶段的流量演变规律及重要影响因素，最后提出具有针对性的镥资源管理建议。相关结论可从产业生态学视角进一步丰富关键矿产资源管理理论，为研判中国镥产业链发展态势提供数据支撑，并为实施中国镥资源精准化管理策略以及保障镥资源供应安全提供参考。

2 研究方法与数据

2.1 系统边界

基于全生命周期贸易关联的中国镥资源物质流分析框架主要由采选矿、分离精炼、加工、制造、使用、废物与回收6个阶段构成[49]，包括进料流、国际贸易流和损失流3种物质流（图1）。本文根据文献资料和CBC金属网数据库②(② CBC金属网主要通过企业（行业）调研、CBC稀土研究院专家评估及文献资料整理等方式获取稀土产品消费数据和稀土含量数据。)确定镥资源代谢过程中涵盖的主要含镥产品。①采选矿阶段的主要含镥产品是国内生产和国外进口的稀土精矿。②分离精炼阶段的含镥产品是由稀土精矿加工而成的氧化镥。③加工阶段的含镥产品是由氧化镥加工而成的4种半成品③(③ 通过整合文献资料和消费端产品数据，选取2020年镥资源总量占比不低于10%的产品类别作为加工阶段的镥基半成品（中间材料）。)，即镥基合金（LA）、闪烁晶体（SC）、激光晶体（LC）和其他材料（OM，主要包括多种催化剂、掺杂物、激活剂、抛光粉等）。④制造和使用阶段的含镥产品是由4种镥基半成品进一步加工而成的8种镥基终端产品④(④ 制造和使用阶段的产品种类较多，选取2020年镥资源总量占比不小于1%的细分产品作为镥基终端产品。)，具体包括中子活化分析仪（NAA）、合金工具（AT）、PET、X射线计算机断层扫描仪（后文简称X-CT）、二极管泵浦激光器（DPL）、灯泵浦激光器（LPL）、石油裂化催化剂（PCC）和其他产品（OP，包括磁泡存储设备、新能源电池、玻璃陶瓷、电子元件和科研实验物资等）。⑤废物与回收阶段的含镥产品主要包括达到使用寿命的各类镥基终端产品[4]。本文核算的空间边界为中国31个省份（考虑数据可得性，暂不包括港澳台地区），时间范围为2011—2020年。
图1 中国镥资源的全生命周期动态物质流分析框架

Figure 1 Dynamic material flow analysis framework for the whole life cycle of lutetium resources in China

2.2 存量与流量核算方法

物质流核算的基础是特定物质在每个阶段的流动都遵循质量守恒原则，即整个国家层面的物质输出量和存量之和等于物质输入量，具体计算公式如下：
F i n p u t + F i m p o r t = F o u t p u t + F e x p o r t + F l o s s + F s t o c k
式中： F i n p u t代表从上一个环节流入的流量； F i m p o r t为该环节的产品进口流量； F o u t p u t代表从本环节流入下一环节的流量； F e x p o r t表示该环节的产品出口流量； F l o s s为本环节排放到自然环境的损失流量； F s t o c k代表存量，即本环节流入量与流出量之差。
根据质量守恒原则，本文流量和存量的核算方法如下：
（1）国内流量包括输入量和输出量。采选矿阶段、分离精炼阶段和制造阶段的流量均通过直接计算法获取，即用含镥产品产量乘以相应产品的镥元素含量。使用阶段的流量则用含镥产品消费量乘以相应产品中镥元素含量（表1）。由于数据缺失，本文通过间接计算法获取加工阶段的流量数据，即基于分离精炼阶段的输出量和制造阶段的输入量进行计算。
表1 产品含镥比例

Table 1 Proportions of lutetium in various products

产品名称 含镥系数/% 数据来源 产品名称 含镥系数/
（g/单位产品）		 数据来源
离子型稀土矿 0.28 《中国稀土年鉴（2011—2020）》 中子活化分析仪 20.00 CBC金属网（2011—2020）
进口稀土矿 0.01 《中国稀土年鉴（2011—2020）》 合金工具 15.00 CBC金属网（2011—2020）
氧化镥 87.94 原子质量比 PET 500.00 CBC金属网（2011—2020）
镥基合金 15.00 CBC金属网（2011—2020） X-CT 500.00 CBC金属网（2011—2020）
闪烁晶体 70.00 CBC金属网（2011—2020） 二极管泵浦激光器 5.00 CBC金属网（2011—2020）
激光晶体 82.00 CBC金属网（2011—2020） 灯泵浦激光器 3.00 CBC金属网（2011—2020）
其他材料 56.00 假设平均值 石油裂化催化剂 0.20 文献[47]
其他产品 174.00 假设平均值
（2）国际贸易流。通过各种含镥产品的国际贸易量乘以产品中镥元素含量计算国际贸易流，主要含镥产品的海关编码见表2。鉴于稀土镥存在供应短缺风险[18]，本文假设镥资源在加工阶段没有存量，并基于质量守恒原则，通过匝差法计算其他材料的国际贸易流量。
表2 主要含镥产品的海关编码

Table 2 Customs codes of major lutetium-containing products

产品类别 海关编码 商品名称 产品类别 海关编码 商品名称
精矿 25309020 稀土金属矿 初级产品 28469019 氧化镥
26122000 钍砂矿及其精矿 终端产品 90301000 离子射线的测量或检验仪器及装置
26140000 钛砂矿及其精矿 90318090 其他测量、检验仪器、器具及机器
26151000 锆砂矿及其精矿 90221200 正电子发射断层扫描 (PET)
28469048 混合碳酸稀土 90221990 其他X射线应用设备
半成品 72052100 稀土合金粉 90132000 二极管泵浦激光器
79050000 稀土合金带 84862049 激光打标机
90229090 闪烁体/X光机用零件 38151900 催化剂
90019090 掺钕钇铝石榴石激光晶体
（3）损失流。通过含镥产品产量乘以对应损失率计算损失流。本文的镥资源损失流主要分布在采选矿阶段、分离精炼阶段和加工阶段，相应的损失率分别是28%、6%和25%（表3）。中国当前的主要稀土回收产品是永磁体，其他稀土产品的回收率均不足1%[47]。考虑到中国大量的镥资源被用于制备镥基闪烁晶体材料，但目前国内外对于镥基闪烁晶体废料及其终端产品的稀土回收基本还处于起步阶段，尚未推行镥资源的回收技术标准及产业化方案[19]，因此本文假定废物与回收阶段的镥资源损失率为100%。
表3 镥资源损失率

Table 3 Loss rate of lutetium resources

生命周期
阶段		 产品种类 损失率/% 数据来源
采选矿阶段 离子型稀土矿 28 《稀土行业发展规划（2016—2020年）》；文献[46]
稀土金属矿 50 文献[50]
混合碳酸稀土 67 文献[50]
锆砂矿及其精矿 99 文献[50]
钛砂矿及其精矿 99 文献[50]
钍砂矿及其精矿 40 文献[50]
分离精炼阶段 离子型稀土精矿 6 《稀土行业发展规划（2016—2020年）》
加工阶段 — 25 文献[47]
制造阶段 — 0 假设
使用阶段 — 0 假设
废物与回收阶段 — 100 假设
（4）在用库存量。从制造环节进入使用环节的最终产品，在使用阶段形成在用库存。镥资源的在用库存量是指研究期间的累积净流量，可采用自上而下的方法计算。年净流量代表年流入量（消费量）和年流出量（报废量）之差[51]。计算公式如下：
S i , t 1 = S i , t 0 + ∑ t = t 0 t 1 ( F i , t i n - F i , t o u t )
F i , t o u t = ∑ m = 1 l i f e t i m e F i , t - m i n × P i , m
S t 1 = S i , t 1 + S j , t 1 + S k , t 1 . . .
式中： S i , t 0（假设为0）和 S i , t 1分别为第 i种镥基终端产品在初始年份 t 0和特定年份 t 1的镥元素在用库存量； F i , t i n和 F i , t o u t分别是第 i种镥基终端产品在第t年的流入量和流出量； P i , m为第 i种镥基终端产品能够服务 m年的概率，本文假定镥基终端产品匀速报废，即镥基终端产品的报废率均为其平均使用寿命的倒数。镥基终端产品的平均使用寿命见表4。 S t 1为特定年份 t 1时的镥资源在用库存总量，即所有镥基终端产品的在用库存量之和。
表4 镥基终端产品使用寿命

Table 4 Lifespan of lutetium-based final products

终端产品名称 平均使用
寿命/年		 数据来源 终端产品名称 平均使用寿命/年 数据来源
中子活化分析仪 10 《工业企业固定资产分类折扣年限》 二极管泵浦激光器 5 《医院固定资产折旧年限表》
合金工具 12 《工业企业固定资产分类折扣年限》 灯泵浦激光器(a) 1 企业调研
PET 6 《医院固定资产折旧年限表》 石油裂化催化剂 5 文献[47]
X-CT 6 《医院固定资产折旧年限表》 其他产品 6 平均值

注：（a）灯泵浦激光器的寿命约300~1000小时，假设一天使用6小时。

2.3 数据来源

采选矿阶段和分离精炼阶段的产量数据主要来自《中国稀土年鉴（2011—2020年）》；稀土精矿的国际贸易数据来自联合国贸易数据库（UN Comtrade）；加工阶段和制造阶段的镥基产品国际贸易数据来自中国海关数据库；各阶段的损失率数据主要来自《稀土行业发展规划（2016—2020年）》与公开发表文献；镥基产品产量数据来自中国统计年鉴；镥基产品消费数据与镥元素含量数据则由CBC金属网数据库提供；镥基产品使用寿命数据主要来自企事业单位固定资产管理文件、公开发表文献和企业调研等。

3 结果分析与讨论

3.1 动态物质流分析

本文选取2011和2020年作为典型年份，绘制2011—2020年基于全生命周期的中国镥物质流图（图2）。图2a和2b分别展示了中国镥资源在2011年和2020年的全生命周期物质代谢规律，图2c模拟了2011—2020年中国镥全生命周期的物质流动情况。图2a和2b显示，相比于2011年，2020年中国镥资源的流量及应用领域均发生显著变化。首先，在采选矿阶段，中国镥精矿供应由国内开采为主转为进口为主。2020年，稀土精矿进口占比上涨至61.12%（32517 kg），而离子型稀土矿开采占比下降至38.88%（20683 kg），由此尾矿减少至8043.40 kg。其次，中国镥资源的代谢流量大幅增加，且产品结构高端化。在分离精炼阶段，2020年投入稀土精矿53200 kg，约为2011年的2倍。在加工阶段，2020年投入氧化镥50008 kg，产出镥基合金9745 kg、闪烁晶体11624 kg、激光晶体4421 kg、其他材料20279 kg，其中闪烁晶体的产量约为2011年的8倍。最后，中国镥资源在高端技术领域的终端消费激增，且国际贸易格局由净出口转为净进口。在制造阶段，2020年输入国产镥基半成品46069 kg，净进口半成品35982 kg（约为2011年的3倍），产出8类镥基终端产品，并呈现出异质性的需求态势：①中子活化分析仪（NAA）和PET占比大幅上升，涨幅分别为8.16%和13.12%；②石油裂化催化剂（PCC）和其他产品（OP）的占比大幅下降，降幅分别为8.80%和28.47%；③其余镥基终端产品的占比均小幅上升。在使用阶段，终端产品进口已成为满足国内镥资源消费需求的关键渠道。2020年输入国产镥基终端产品82050 kg，净进口6370 kg，产生在用库存量23040 kg和报废量65380 kg。
图2 2011—2020年中国镥资源物质流

Figure 2 Material flow of lutetium resources in China, 2011-2020

总体而言，中国社会经济系统对镥资源的需求与日俱增，且呈现出应用领域多元化和高端化，以及供应格局国际化的特点。图2c显示，稀土精矿含镥总量为494291 kg，其中来自国内开采和国际进口的镥资源分别为191170 kg（占比38.68%）和303121 kg（占比61.32%）。镥资源终端产品消费量617210 kg，其中2%来自国外净进口（12820 kg），98%来自国内生产制造（604390 kg），且主要分布在OP（199590 kg）、PCC（91510 kg）、NAA（78770 kg）、PET（71480 kg）、DPL（52660 kg）。2011—2020年，镥资源在中国社会经济系统的在用库存量和报废量分别为292959 kg和324251 kg，具有巨大的二次资源开发及循环利用潜力。

3.2 物质流演变趋势分析

为打开镥资源全生命周期各阶段的代谢黑箱，揭示其代谢规律，本文继续分析各阶段流量、存量以及国际贸易格局的演变趋势。

3.2.1 采选矿阶段流量分析

中国稀土精矿来自两部分：采选矿阶段的国内离子型稀土开采和国外稀土精矿进口。图3显示，2011—2020年间，离子型稀土矿的开采总量较为稳定，但稀土精矿的进口量波动较大。中国稀土精矿的第一供应源自2016年起由国内开采转为国际进口，其供应格局演变过程可划分为3个阶段：供应量萎缩期（2011—2014年）、进口量扩张期（2015—2018年）和进口受阻期（2019—2020年）。
图3 2011—2020年中国稀土精矿供应

Figure 3 Supply of lutetium concentrates in China, 2011-2020

在第一阶段，离子型稀土矿的开采量远高于稀土矿进口量并逐年下降，主要原因是中国政府在2005—2010年出台了一系列稀土政策，包括削减出口配额并加征出口关税、实行开采配额和生产配额以及取消出口退税等[52]。在第二阶段，离子型稀土矿开采量开始反弹但基本稳定。稀土进口量呈现出急速上涨态势，在2016年超过国内开采量，由2014年的约500 kg飙升至2018年的约95000 kg。导致该现象的主要原因是国内外稀土贸易局势的动荡和政策不确定性。一方面，2014年WTO裁定中国限制稀土出口违规，中国败诉后于2015年被迫取消稀土出口数量管制措施，稀土出口再次出现量增价跌的趋势[52]。另一方面，随着国外稀土新矿山的发现及开采，中国稀土储量和产量的全球占比均下降，全球稀土市场进入多元化供给格局。中国经济于2015年开启供给侧结构性改革，2017年转向高质量发展阶段，战略性新兴产业对稀土的需求激增，但环保要求却更加严格，国内供需出现较大的不匹配，只能通过进口稀土矿弥补国内稀土供应缺口[53]。第三阶段的稀土矿进口量出现明显回落，可能的原因是：从缅甸进口的离子型稀土矿（包括混合碳酸稀土矿和未列名氧化稀土）是中国中重稀土的核心国际供应源，但在2019年5—9月，云南腾冲与缅甸边境关口封关，禁止所有稀土进出口贸易，导致中国中重稀土进口量骤减[54]。

3.2.2 分离精炼阶段流量分析

分离精炼阶段的主要输入物质是来自采选矿阶段的稀土精矿，输出物质为氧化镥。氧化镥是镥资源最主要的初级产品。图4展示了2011—2020年中国氧化镥的价格与产量走势。总体而言，中国氧化镥产量呈现出“两降一升”特征，即在2011—2014年和2019—2020年下降，在2015—2018年上升。氧化镥价格则在2012年达到峰值，随后快速下降，并在2018年以后保持低位。
图4 2011—2020年中国氧化镥产量及价格走势

Figure 4 Trends of lutetium oxide production and price in China, 2011-2020

与采选矿阶段类似，受国内外稀土产业政策和国际贸易环境的影响，氧化镥的产量和价格演变过程可分为3个阶段：①第一阶段（2011—2014年）。中国稀土总量控制与出口管制导致中国氧化镥产量下降，且出口量大幅缩减，由此引发氧化镥国际价格暴涨和更加严重的稀土出口走私。2011年，为加大稀土产业调整力度，国务院发布《促进稀土行业健康发展的22条意见》（国发[2011]12号），将几乎所有的稀土价格推到历史最高点[52]。2013年，由于缺乏有效的需求支撑以及美日欧就中国稀土等原材料出口限制诉诸世界贸易组织，中国稀土产量回弹，稀土价格全线下跌[55]。②第二阶段（2015—2018年）。中国在2014年败诉后，被迫于2015年取消稀土出口管制，氧化镥出现量增价跌。③第三阶段（2019—2020年）。由于从缅甸进口稀土矿受阻，中国氧化镥产量出现下降趋势，中美贸易战及全球新冠疫情也在一定程度上冲击了氧化镥需求，形成较为平稳的中国氧化镥价格。

3.2.3 加工阶段流量分析

加工阶段的主要输入物质是氧化镥，输出物质为4类镥基半成品，即镥基合金、闪烁晶体、激光晶体和其他材料。图5为2011—2020年镥基半成品结构及净出口数量。总体而言，在此期间，镥基半成品的国际贸易格局与产品结构均显著变化。首先，在国际贸易格局方面，中国镥基半成品在2011—2016年处于净进口状态，但在2017年转为净出口，并于2018年达到净出口峰值（约32000 kg），随后在2019年又转为净进口。其中，2017年的转折可能源于中国新材料产业政策的陆续落地，即为深化落实《中国制造2025》，国务院和工信部等四部委先后于2016年12月和2017年1月发布了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》和《新材料产业发展指南》⑤(⑤《新材料产业发展指南》指出要以战略性新兴产业和重大工程建设需求为导向，提高新材料应用水平，推进新材料融入高端制造供应链；到2020年，力争使若干新材料品种进入全球供应链，重大关键材料自给率达到70%以上，初步实现中国从材料大国向材料强国的战略性转变。)，显著刺激了中国稀土材料的生产与出口。2018年爆发的中美贸易战⑥(⑥2018年6月，美国贸易代表办公室发布正式的加征关税的商品清单，将对从中国进口的约500亿美元商品加征25%的关税。)导致中国稀土材料出口严重受阻，镥基材料的贸易格局由净出口转为净进口。
图5 2011—2020年中国镥基半成品生产及国际贸易量

Figure 5 Production and international trade of lutetium-based semi-finished products in China, 2011-2020

此外，在半成品结构方面，其他材料一直占据主导地位，但其占比由2011年的约80%迅速降至2020年的约45%。相反，镥基合金、闪烁晶体以及激光晶体的占比自2012年迅速攀升，并在2013年后呈现出异质性走势。其中，镥基合金占比在大多数年份高于晶体材料；闪烁晶体占比在2013年后稳步上涨，并在2018年超越镥基合金成为第二大半成品；激光晶体占比自2016年缓慢下降，成为占比最低的镥基半成品。闪烁晶体的快速上涨得益于中国医疗器械行业的快速发展，其中PET设备需求是拉动闪烁晶体产量稳定上升的关键力量⑦(⑦ 亿欧智库发布的《2020年中国医疗影像产业链研究报告》表明PET在近10年的复合增长率高达22.7%。)。

3.2.4 制造阶段流量分析

制造阶段的主要输入物质包括4类镥基半成品，输出物质为8类镥基终端产品。图6显示，中国镥基终端产品在近10年呈现出高端化和多元化发展趋势，镥资源在核医疗器械产业和激光器产业的应用占比持续上升。具体而言，虽然其他产品一直占据主导地位，但其占比从2011年的约60%降至2020年的约30%。石油裂化催化剂占比在2012年达到峰值约30%，然后逐渐降至2020年的约13%。相反，其余终端产品占比自2013年起整体上升，其中中子活化分析仪和二极管泵浦激光器的占比先升后降，合金工具占比缓慢下降，PET、X-CT和灯泵浦激光器占比逐年上升。相比之下，PET作为“明星”产品，其消费潜力巨大且占比增速最快，并在2020年超越石油裂化催化剂，成为第二大镥基终端产品。此外，镥基终端产品的国际贸易量呈现出“下降—波动—快速上升”的态势，并由2011—2016年的净出口状态转变为2017—2020年的净进口状态，且净进口量从2017年（约900 kg）迅速升至2020年的峰值（约6500 kg）。
图6 2011—2020年中国镥基终端产品制造及国际贸易量

Figure 6 Production and international trade of lutetium-based final products in China, 2011-2020

镥基终端产品的产量趋势变化及国际贸易格局转变主要源于国内消费市场的需求变化。自2012年7月国务院发布《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，镥基终端产品结构发生显著变化，传统产品（如其他产品和石油裂化催化剂）的产量骤减，而其余镥基终端产品的产量均出现大跃升。此外，在《关于促进医药产业健康发展的指导意见》⑧(⑧ 由发改委于2016年7月发布，指出要加快医疗器械转型升级，研制核医学影像设备PET-CT及PET-MRI、多排螺旋CT、彩色超声诊断等高性能诊疗设备，推动全自动生化分析仪、化学发光免疫分析仪、五分类血细胞分析仪等体外诊断设备和配套试剂产业化。)和《关于促进首台（套）重大技术装备示范应用的意见》⑨(⑨ 由发改委等8部门于2018年4月发布，指出32种医疗设备可享受“首台套”推广应用政策的扶持，其中包括DR、MRI、CT、PET-CT、PETMR、DSA、彩超、电子内镜等医用影像设备。)等一系列医疗器械特别审批通道相关政策的刺激下，中国PET的国内产量及进口量均逐年上升。

3.2.5 使用阶段流量分析

使用阶段的物质平衡是指：本年度消费量与报废量之差等于本年度与上一年度在用库存量之差。本阶段的输入物质为8类镥基终端产品，输出物质为报废的镥基终端产品，尚未报废的镥基终端产品形成在用库存。表5展示了8类镥基终端产品在2011—2020年的消费结构（面板A）和消费量增长率（面板B）。总体而言，中国镥基终端产品消费呈现出从传统领域（催化剂与合金）向新兴高端领域（核医疗器械和激光器）转变的趋势。根据消费结构变动趋势，本文将8种镥基终端产品划分为4类：①其他产品与石油裂化催化剂在早期占据主导地位，但其占比均逐年大幅下降；②中子活化分析仪和合金工具的占比较高，但呈现出先升后降的态势；③PET和X-CT等核医疗器械是最具消费潜力的终端产品，其消费占比均逐年大幅上升；④激光器领域的消费占比低于上述3类产品，但呈现出逐年上升的趋势，其中二极管泵浦激光器的占比较高，具有较大的消费潜力。
表5 2011—2020年中国镥基终端产品的消费结构及消费增长率

Table 5 Consumption structure and growth rate of lutetium-based final products in China, 2011-2020

年份 中子活化分
析仪/%		 合金工具/% PET/% X-CT/% 二极管泵浦
激光器/%		 灯泵浦激光
器/%		 石油裂化催
化剂/%		 其他产品/%
面板A：镥基终端产品消费结构
2011 5.01 2.53 3.35 2.23 3.76 0.95 21.91 60.26
2012 3.96 4.66 2.59 0.27 2.78 0.71 31.96 53.07
2013 14.87 9.84 6.88 6.88 8.58 2.15 15.56 35.23
2014 15.02 9.78 8.63 7.04 9.73 2.44 15.80 31.55
2015 14.17 9.11 10.93 7.29 11.34 2.83 15.18 29.15
2016 13.37 8.42 12.12 7.42 12.10 3.02 14.07 29.47
2017 15.12 8.58 12.13 8.08 11.79 2.94 13.32 28.03
2018 13.72 7.90 13.12 8.74 12.18 3.04 12.99 28.29
2019 13.44 7.41 13.79 9.20 12.77 3.20 11.90 28.28
2020 12.30 6.96 15.51 8.35 12.96 3.25 11.91 28.77
面板B：镥基终端产品消费增长率
2012 -45.11 27.96 -46.34 -91.46 -48.55 -48.57 1.37 -38.80
2013 672.28 333.61 446.97 5057.14 533.80 527.78 0.00 36.38
2014 3.33 1.74 28.25 4.71 16.00 15.93 3.92 -8.39
2015 4.22 2.86 39.96 14.29 28.74 28.24 6.13 2.07
2016 4.29 2.22 22.53 12.50 18.01 17.86 2.44 11.75
2017 24.89 12.50 10.58 20.37 7.57 7.58 4.56 5.02
2018 -3.20 -1.77 15.38 15.38 10.20 10.33 4.05 7.69
2019 9.25 4.59 17.18 17.33 16.91 17.02 2.09 11.45
2020 -5.96 -3.61 15.50 -6.82 4.28 4.36 2.83 4.52
具体而言，其他产品和石油裂化催化剂是中国镥资源在2011—2012年最主要的应用领域，但自2013年起，核医疗器械和激光器领域的消费占比迅速崛起，这得益于中国对国家战略性新兴产业发展的政策支持。特别是在核医疗器械产业和激光器产业的一系列政策刺激下，PET和二极管泵浦激光器的消费占比均自2015年起超过10%，并逐步上升，成为中国镥资源最热门的两种战略性新兴应用领域。在消费量波动情况方面，石油裂化催化剂的消费量最稳定，而中子活化分析仪、PET、X-CT、二极管泵浦激光器、灯泵浦激光器和其他产品的消费增长率均在2012年大幅下跌，并在2013年迅速回弹。该现象主要源于中国稀土出口配额管制等政策引发的全球恐慌情绪和稀土价格剧烈波动[55]。此外，2020年爆发的全球新冠疫情导致中子活化分析仪、合金工具以及X-CT的消费量增长率下滑，但却刺激PET消费量增长15.50%。

3.2.6 国际贸易流分析

国际贸易流是反映资源供需格局的重要信息。中国作为全球最重要的稀土供应国，在全球稀土产业链发挥着举足轻重的作用。图7反映了2011—2020年中国镥资源在不同阶段的国际贸易量和贸易格局。总体而言，中国镥资源以净进口为主，主要贸易产品包括分离精炼阶段的稀土精矿、加工阶段的镥基半成品、制造阶段的镥基终端产品。
图7 2011—2020年中国含镥产品贸易流

Figure 7 Trade flow of lutetium-containing products in China, 2011-2020

首先，为了保护国内稀土资源以及生态环境，中国在分离精炼阶段以净进口为主，贸易量由2011—2014年的约3500 kg飙升至2018年的约90000 kg，随后因中美贸易冲突快速下跌至2020年约35000 kg。其次，在国内新材料相关政策以及中美贸易冲突的相继影响下，中国在加工阶段的贸易格局波动较大。具体而言，在新材料政策的支持下，中国的稀土材料产业得到快速发展，并在2017年大量出口国际市场，贸易格局由净进口转为净出口。随后出口量在中美贸易冲突的影响下大幅下降，并于2019年转为净进口。最后，在制造阶段，中国镥基终端产品的贸易格局在2011—2016年以净出口为主，不过出口量较少，但在2017年转为净进口，且净进口量逐年上升。可见，在人口老龄化、PET低普及率和中国医用设备配置规划等利好因素的刺激下，本土产量已不能满足国内市场对高端医疗设备PET的强劲需求，因此促生了“进口为主，国产为辅”的高端医疗设备供应方案。

3.2.7 存量与报废量分析

计算存量与报废量是动态物质流分析的重要环节，且与终端产品的使用寿命和寿命分布模型密切相关。国内外学者对产品寿命分布的表征方式有4种类型：产品平均寿命、指数和正态分布、对数分布、韦伯分布[56]。本文假定8类镥基终端产品在其平均寿命期均匀报废。图8显示，2011—2020年8类中国镥基终端产品的存量均逐年上升，其中其他产品、中子活化分析仪和PET的存量增速较快，而灯泵浦激光器的增速最低。从结构上看，其他产品和灯泵浦激光器分别是占比最高和最低的产品。中子活化分析仪、PET、合金工具和二极管泵浦激光器的占比逐年上升，并在2020年超越石油裂化催化剂，需引起特别关注。
图8 2011—2020年镥基终端产品在用库存分布

Figure 8 In-use stock of lutetium-based final products, 2011-2020

由图9可知，2011—2020年间其他产品和石油裂化催化剂的报废量最大。二极管泵浦激光器、PET、中子活化分析仪以及X-CT在近9年的报废量增速较快，但灯泵浦激光器的报废量及其增长率均最低。从结构上看，其他产品和石油裂化催化剂占比较大，但逐年下降，并在2020年分别降至约30%和约15%。相反，PET、中子活化分析仪和二极管泵浦激光器的占比均有所上升，并在2020年超过10%，是当下可考虑的二次资源开发对象。然而目前稀土回收技术尚不成熟，从镥基终端产品中回收镥资源的可行性较低。
图9 2011—2020年镥基终端产品报废情况

Figure 9 End-of-life of lutetium-based final products, 2011-2020

3.3 物质流影响因素分析

前文详细分析了中国镥资源在采选矿、分离精炼、加工、制造、使用、废物与回收6个阶段的存流量演变规律，并显示镥资源的代谢过程具有“需求驱动”特征。本文将进一步梳理中国镥资源存流量在各阶段的重要影响因素，以期为预测中国镥资源供需关系提供依据。具体结果为：①人口老龄化、产业政策调整和技术进步是使用阶段的关键驱动因素。例如人口老龄化和核医疗器械产业政策支持激发了中国对PET的强劲需求。稀土闪烁晶体技术在PET的大量应用，快速拉升了镥资源在医疗领域的消费量、在用库存量和报废量。②制造阶段的产品生产及贸易量结构取决于使用阶段的产品消费，但也受产能、国际贸易政策以及损失率等因素的综合影响。为了满足国内的强劲需求，中国PET产量和进口量均快速上升，但在中美贸易战背景下存在波动。③加工阶段的镥基半成品产量、结构以及国际贸易格局主要取决于制造阶段的终端产品需求，同时也受到新材料技术成熟度、新材料支持政策、产能、国际贸易政策等因素的影响。例如在中国核医疗器械产业政策的促进下，中国PET产量大幅增加，并快速拉升了上游稀土闪烁晶体的产量，但在中国新材料产业政策和中美贸易战的影响下，镥基半成品的国际贸易格局呈现出“净进口—净出口—净进口”的多重反转模式。④分离精炼阶段的流量波动较大，一方面源于加工阶段的稀土材料需求调整，另一方面源于国内外相关政策冲击。例如稀土精矿及氧化镥的流量波动过程均包括3个阶段，即2011—2014年、2015—2018年和2019—2020年。3个阶段分别受到中国稀土产业政策调整和国际稀土贸易管制诉讼、稀土出口管制取消、进口缅甸稀土受阻和全球新冠疫情等国内外重大事件的冲击影响。⑤采选矿阶段的资源供应结构主要取决于国内稀土开采总量控制指标和国际贸易，其中后者的不确定性较高，对国际贸易政策、国内镥资源需求量及产能等因素较为敏感。

3.4 敏感性分析

动态物质流分析是调查社会经济系统中物质存量和终端产品报废量的主流方法。不同于静态物质流分析，动态物质流分析依赖大量微观数据，因此，数据质量和数量的限制导致动态物质流分析中存在大量关于模型参数的不确定性，如平均产品寿命或历史物质使用模式不确定性，或将显著影响核算结果稳健性和决策可靠性[57]。参数不确定性一般使用正态分布进行评估，有3个变异系数水平[41]：①低不确定性水平：2%，即直接从统计数据库中收集的数据；②中等不确定性水平：5%，即通过文献获取的数据；③高不确定性水平：10%，即基于假设和专家访谈获取的数据。
敏感性分析常用于动态物质流分析，以评估参数变化对模型结果的影响。敏感性分析是通过探索输入参数变化对模型输出的影响，来识别个别假设和参数规格的重要性。其中，局部敏感性分析法简单有效，其侧重于测试恒定或不确定输入参数的不同扰动，并分析输出的具体结果[58]。考虑到镥资源的存量和流量核算受到参数不确定性的影响，本文运用局部敏感性分析法测试以下参数的不确定性影响（图10）：①具有2%低不确定性的参数，包括精矿、氧化镥、镥基半成品和镥基终端产品的产量和进出口量；②具有5%中等不确定性的参数，包括损失率、废物回收率和镥含量；③具有10%高不确定性的参数，包括镥基终端产品的寿命。通过Monto Carlo模拟，分析了上述参数对在用库存量和报废量的不确定影响。图中圆点线表示本文计算结果，方形线和三角线间的区域表示不确定性分析的取值区间。在用库存量和报废量的偏差范围分别为-8.2%~7.8%，以及-8.1%~9.1%，可见参数不确定性的影响不大（在 ±10%以内），本文结果具有稳健性。
图10 2011—2020年在用库存量（a）和报废量（b）的敏感性分析

Figure 10 Sensitivity analysis of in-use stock (a) and end-of-life (b), 2011-2020

4 结论与政策建议

4.1 结论

作为全球最贵稀土元素之一，镥被许多国家列入关键矿产清单。本文利用动态物质流分析法对2011—2020年中国镥资源的流动情况及存量分布进行测算分析，得出以下结论：
（1）中国镥资源的消费量持续增加，其在新兴产业的战略价值正在凸显，但在全球第六次科技革命叠加地缘政治风险加剧的背景下，中国镥资源具有较强的供应风险。在中国核医疗器械和激光器的需求拉动下，镥资源在全生命周期各阶段的流量均稳步上升。当前中国对国际市场资源供应的依赖性增强，其在分离精炼阶段、加工阶段和制造阶段的贸易格局均转为净进口。镥资源进口已成为缓解国内供需矛盾的重要手段，但也极易受到国际贸易政策和地缘政治冲突的冲击影响。
（2）镥资源的终端产品消费结构呈现多元化和高端化发展趋势，传统应用领域正逐渐被新兴高端应用领域取代。2011年镥基终端产品结构以其他产品和石油裂化催化剂为主，但从2013年起，在核医疗器械和激光器等新兴产业的政策刺激下，镥资源在PET和二极管泵浦激光器的消费占比稳步上升，其中“明星产品”PET的消费量增速最快，在2020年超越石油裂化催化剂，成为中国镥资源的第二大应用领域。另外，在终端消费领域的驱动下，中游稀土材料的流量结构也逐渐多元化和高端化。自2012年起，镥基合金、闪烁晶体和激光晶体的占比迅速攀升。特别是在中国核医疗器械产业快速发展的背景下，闪烁晶体占比逐年上升，逐渐占据主导地位。
（3）镥资源具有可观的二次资源开发潜力。经测算，2011—2020年中国镥资源的在用库存量为292959 kg，累计报废量为324251 kg。除了处于应用衰退期的其他产品、石油裂化催化剂和灯泵浦激光器，其余终端产品的在用库存量和报废量均呈直线上涨态势。当前镥资源的在用库存主要集中在其他产品、中子活化分析仪、PET、合金工具和二极管泵浦激光器；但可开发的二次镥资源则主要集中在其他产品、石油裂化催化剂、二极管泵浦激光器、PET和中子活化分析仪。

4.2 政策建议

基于上述结论，本文针对中国镥资源管理提出以下政策建议：
（1）动态监测镥资源物质流，聚焦高端应用领域，优化镥资源供需结构。镥资源是新兴高端医疗器械的关键资源。在新冠疫情后时代，全球人民对高端医疗器械的需求旺盛，很可能导致镥资源供应短缺。因此，为了促进中国镥产业的高质量发展，有必要构建镥资源的全生命周期物质流动态监测系统，聚焦高端应用需求和供应安全，定向跟踪高端领域的存流量，预警高端领域的供需缺口，减少镥资源的低端应用，政策引导镥资源流向高端应用领域，从而优化镥资源供需结构，提升关键矿产资源的应用价值。
（2）降低镥资源的进口依赖，提升高端镥基产品研发制造能力，延伸镥资源价值链。中国镥资源供应格局存在诸多隐患：①镥资源来源于离子型稀土矿，矿种分布集中，分离精炼阶段的精矿进口渠道单一，供应链较脆弱，例如缅甸的边境封关事件对中国稀土进口造成较大冲击。②镥资源中间材料的贸易格局易受到国际贸易政策和地缘政治冲突的影响，例如中美贸易战显著降低了中国镥资源中间材料出口量。③中国镥资源的高端需求正在崛起，特别是在人口老龄化和新冠疫情反复的背景下，全球核医疗器械的需求量及价格将大幅提升，当前的终端产品进口依赖模式将不具有可持续性。因此，本文提出以下3点建议：①降低分离精炼阶段对国际市场的依赖，一方面降低本阶段的初级产品出口量，另一方面，拓宽国内镥资源的供应渠道，提高尾矿利用率，降低资源损失率。②根据国内高端需求优化镥基中间材料的生产结构，降低低端材料产量及出口量，优先满足国内高端产品制造需求，为中国高端设备自主研发奠定资源基础。③面对国内日益增长的镥基产品高端需求，中国政府需鼓励自主研发和制造升级，构建“政策-资源-人才-资金-市场”保障体系，即通过财税政策引导头部企业加大自主研发力度，鼓励稀土产业上中下游企业的协同创新与合作，构建“政产学研金”高端研发人才协同培养机制，提高国内消费市场对国产设备的支持力度，以提升镥基高端产品研发水平和制造能力、降低终端产品进口依赖、延伸镥资源价值链。
（3）评估镥资源循环利用潜力，完善技术标准，鼓励多主体参与回收体系产业化建设。镥资源价格高昂，且在PET、X-CT和闪烁晶体等高端产品中富集，具有可观的二次资源循环利用潜力。当前中国的稀土回收率不足1%，且主要以回收钕铁硼磁体废料为主，尚未建立镥资源循环利用技术标准和回收体系。在新冠疫情叠加地缘政治风险的背景下，镥资源供应风险突出，亟待加快二次资源开发以缓解国内原生资源供应压力。因此，中国政府可针对镥资源构建“经济-技术-环境-安全”四维循环潜力评价体系，动态测评含镥产品（初级产品、中间材料和终端产品）的二次资源开发潜力，鼓励镥资源回收技术研发，完善相关技术标准，并通过税收和信贷优惠鼓励多方主体参与镥资源回收体系设计与产业化建设。

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