铍资源分布、产量、消费现状与应用如何?

铍资源分布集中,美国和中国为主产区。

铍(Be)最轻的碱土金属元素,也是所有轻金属中熔点最高的金属之一,极性强, 易形成强化学键。铍在地壳中含量大约为 4×10-6 -6×10-6,含铍矿物多产于共伴 生矿床,据统计与锂、钽、铌伴(共)生占 48%,与稀土矿伴生占 27%,与钨 共(伴)生占 20%。含铍矿物有 100 多种,常见有绿柱石、硅铍石、羟硅铍石、 金绿宝石等,目前仅有绿柱石和羟硅铍石具有商业开发价值。绿柱石是最具商业 价值的含铍矿物,氧化铍理论含量为 9.26%-14.4%,巴西绿柱石储量居全球首 位,其次为加拿大、中国、莫桑比克、纳米比亚、葡萄牙和津巴布韦等。羟硅铍 石的氧化铍理论含量为 39.6%-42.6%,但实际开采的高品位矿石氧化铍含量仅 有 0.69%,火山-热液型羟硅铍石是美国的主要提铍矿物,其羟硅铍石储量全球 第一。

USGS 最新披露数据显示全球已查明铍资源量超过 10 万吨,其中约 60%分布在 美国,未统计各国储量明细。根据其 2017 年数据,全球已查明铍资源量(BeO) 超过约 40 万吨,折合铍金属量约 14 万吨,主要分布在美国、加拿大、巴西、 格陵兰岛、墨西哥、俄罗斯和澳大利亚,其中美国、加拿大、巴西铍资源量(BeO) 分别为 23.9 万吨、6.5 万吨、4.3 万吨,折合铍金属量分别约 8.6 万吨、2.3 万 吨、1.5 万吨,合计占全球 87%。

我国铍资源总量丰富但禀赋一般。根据自然资源部数据,我国铍矿资源储量为 6.38 万吨(氧化铍),折合铍金属量2.3 万吨,我国铍矿床分布在国内 8个省(区), 其中四川、江西、新疆分别占比 55%、27%和 15%,合计占全国总资源储量的 97%。我国已探明铍资源虽然丰富,但可工业利用的优质铍矿资源少,资源禀赋 较差导致我国大多数铍资源未能工业应用,新探明含铍矿床品位低,平均品位低 于 0.100%,且成分复杂,与多种金属浸染伴生,使得分离难度大,目前的工艺 难以实现资源综合回收利用。

全球铍矿产量波动较大,美国和中国为主产区。近年主要受益于工业零部件和汽 车电子等下游需求上升,全球铍产量整体有所增长,全球铍矿产量由 2017 年的 210 吨增至 2024 年的 364 吨,美国、巴西和中国是主要生产区,2024 年产量 分别约 180 吨、80 吨和 77 吨,占比分别为 49%、22%和 21%。全球仅美国、 中国、哈萨克斯坦等少数国家具备从铍矿开采、提取冶金到铍金属及合金加工的 完整工业体系,英、法、德等西欧国家和日本都曾进行过工业规模铍冶炼和加工 生产,但因铍的毒性以及投入与产出比严重不符,西欧和日本均在 20 世纪 70 年代停止了铍的冶炼生产,仅进口铍的半成品进行二次加工。从 20 世纪 80 年 代起,巴西具有氧化铍和铍铜中间合金的生产能力。

我国铍资源对外依存度较高,根据海关数据统计,2024 年我国未锻轧铍和铍粉 末进口量为 22.6 吨,锻轧铍及铍制品进口量为 0.4 吨,几乎无出口。

铍铜合金的铍含量约 0.2%-2%,因其高比刚度、高导电性、耐疲劳、耐腐 蚀、弹性滞后小、无磁性等特性,在航空、电子、汽车、通讯等领域用作连 接器、继电器等,约 75%的铍用于铍铜合金。 金属铍纯度一般大于 99.5%,由于在极端条件下的优异尺寸稳定性,是导 弹、核潜艇、卫星等惯性导航系统中不可或缺的材料。 铍铝合金铍含量大于 60%,具有高比热容、高导热性、成本低、密度小等 特性,主要用于国防领域,金属铍和铍基合金占铍产量约 20%。 氧化铍是一种优良的导热体,具有高强度和硬度,应用在军用雷达及射频设 备的散热器和汽车电气系统的电绝缘材料,占比约 5%。

美国为全球铍矿产品最大消费国,2024 年消费量约 170 吨,占全球总产量 46.7%。 美国铍产品中,20%用于工业零部件,11%用于汽车电子行业,19%用于航空航 天和国防应用,8%用于电新基础设施,6%用于电子消费行业,6%用于能源行 业,2%用于半导体领域,28%用于其他领域。

随着可控核聚变技术的发展,尤其是托卡马克装置从“等离子体控制”阶段向“氘 氚燃料反应”阶段的转变,铍在聚变堆中的重要性愈发凸显,其价值量占比预计 可达 30%-40%。在托卡马克装置中,铍的应用主要集中在两个方面:

中子倍增剂:铍为最优选择,占比高达 80%。在中子倍增剂的选择上,铍以其低中子阈能和高倍增效率脱颖而出,成为目前最 优的选择。中子倍增剂的作用是增加中子总数,从而提高与锂原子核反应的几率。 相较于铅,铍在中子撞击原子时所需的能量更低,这使得其倍增效率更高。此外, 铍的高熔点和低密度也使其在高温环境下的应用更为安全和高效。相比之下,铅 的熔点较低,易熔化,且密度较大,这在聚变堆的结构和材料要求上带来了更高 的挑战。在 ITER 机器中,测试包层模块在模块内部使用约 100-200 公斤铍作 为中子倍增剂,以增强测试模块中的氚增殖,氧化铍也用作某些组件的绝缘材料; 中国聚变工程实验堆(CFETR)设计方案中的铍球用量>300 t。

第一壁材料:铍未来或被钨替代,占比约为 20%。由于铍具有优良的热特性、低原子序数(Low-Z)以及去除等离子体中氧杂质的 能力,包层是使用铍最多的组件。在 ITER 装置中,440 块第一壁板将覆盖 8-10 毫米厚的铍装甲,总用量约 12 吨,分布在约 700 平方米的表面积上。 然而,近期研究表明,在中等强度的等离子体电流条件下,异常等离子体事件可 能导致铍发生强烈熔化。由此产生的感应电磁力会使第一壁面板提前失效。此外, 铍的侵蚀会产生大量灰尘,其金属毒性及对设备维护的不利影响,也成为其应用 中的主要挑战。 相比之下,钨材料展现出明显的优越性。钨具备更高的耐热性和稳定性,能够显 著减少设备维护需求,并避免频繁更换第一壁板,从而节约时间并减少放射性废 物的生成。基于此,ITER 组织于 2023 年决定调整第一壁装甲材料的计划,用钨取代铍,以提升整体性能和可靠性。

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