Редкоземельные металлы применение в электронике
Смартфоны, плееры, гибридные двигатели, компьютеры и прочая электроника. В каждом приборе содержатся редкоземельные металлы. Без них сегодня ни одна компания не выпускает высокотехнологичные разработки.
В аккумуляторе Toyota Prius есть 10 кг лантана. А в магните ветряного двигателя – не меньше 260 кг неодима.
Всего существует 17 элементов, благодаря которым электронные устройства становятся такими компактными.
Дело в том, что магниты, сделанные из этих элементов, гораздо сильнее обычных магнитов, а весят значительно меньше.
Редкоземельные элементы были открыты в форме оксидов. А оксиды металлов ранее называли «землями». И поскольку встречались они в природе не часто, то отсюда и название – редкоземельные металлы. Хотя «редкими» их можно назвать лишь относительно. Встречаются они в природе в 200 раз чаще, чем золото. Правда, лежат они в земле не пластами, а в рассеянном состоянии.
О редкоземах стало известно в конце XVIII века. Считается, что именно финский ученый Юхан Гадолин нашел минерал, в котором содержался описанный им иттрий. Кстати, его сегодня используют в телевизорах. Элемент позволяет отображать на экране красный цвет.
Параллельно вели свои исследования два шведских химика – Хизингер и Берцелиус. Однако им не удалось получить ни одного металла в чистом виде, потому что элементы представляли собой сложные оксиды. Дмитрий Менделеев в труде «Основы химии» описывал лишь 6 редких металлов: иттрий, лантан, церий, эрбий, празеодим и неодим.
Спустя сто лет после открытия РЗМ, элементам отвели специальное место в Периодической системе химических элементов.
В двадцатом столетии до 80-х годов бесспорным мировым лидером в добыче сырья были США. Основной объем добычи приходился на рудник Маунтин-Пасс в Калифорнии. В свое время там добывали 20 тыс. тонн в год, что составляло более 60% мировой добычи.
Однако скоро ситуация кардинально поменялась, и американское господство в этой сфере сошло на нет. О себе громогласно заявил Китай, где к тому же находится почти 97% мировых запасов редкоземельных металлов. С тех пор Поднебесная остается мировым лидером в области добычи редкоземов.
А совсем недавно Китай запустил специальную торговую площадку для редкоземельных металлов, на которой будут присутствовать ведущие компании сектора.
К слову, из-за монопольного положения Китая на этом рынке, в мире разгораются международные торговые споры. Так, летом прошлого года Всемирная торговая организация начала проверку ситуации на глобальном рынке РЗМ по запросу Евросоюза, США и Японии.
Россия также занимается производством РЗМ. Страна планирует в будущем отказаться от импорта этих металлов.
Ростех совместно с частными инвесторами займется добычей редкоземельных металлов в якутском месторождении Томтор, одном из крупнейших в мире. Его площадь – 250 кв. км. Запасы оцениваются в 154 млн тонн руды с содержанием оксидов ниобия 6,71%, иттрия – 0,6%, скандия – 0,048% и тербия – 9,53%.
Непосредственно разработка начнется в 2015 году. Планируемый объем инвестиций – 30 млрд рублей сроком на 6 лет.
Ожидается, что к 2017-2018 годам Ростех удовлетворит потребности в редкоземельных металлах внутри страны и превратится в нетто-экспортера высокотехнологичной продукции.
Программа позволит создать и сформировать целую отрасль, которая обеспечит поставку необходимых материалов для авиации, космоса, атомной промышленности и радиоэлектроники.
Планируется создание производственной цепочки – от добычи руды до технологии разработки производства концентратов и оксидов металлов, которые обеспечат уже в дальнейшем производство готовой продукции.
Спрос на РЗМ в России к 2020 году достигнет по разным оценкам от 5 тыс. до 13 тыс. тонн в год, а на мировом рынке – почти 180 тыс. тонн.
Редкие металлы в электронике и электроэнергетике
Редкие, и в частности редкоземельные, металлы находят весьма широкое применение в различных высокотехнологичных отраслях. Машиностроение, металлургия, химическая промышленность, солнечная энергетика, атомная и водородная энергетика, приборостроение, электроника, – всюду используются редкоземельные металлы. Перечислять все области применения редкоземельных металлов можно очень долго, однако давайте рассмотрим часть этого обширного спектра применительно непосредственно к электронике и электроэнергетике.
С каждым годом растет объем редкоземельных металлов, используемых не только в компьютерной технике, но и в экономичных источниках света. Например, в США за счет этого прогнозируют снижение энергопотребления на освещение в 2 раза. Там уже созданы лампы с люминофорами, содержащими тербий, иттрий, церий, европий, что позволило до 3 раз повысить светоотдачу при соответствующей экономичности.
Сверхпроводящие материалы на базе ниобия позволили японцам создать настолько сильные магниты, что скоростные поезда на воздушной подушке, развивающие скорость до 581км/ч уже построены и эксплуатируются.
Большое значение имеют фотоэлектрическое свойства рубидия и цезия, обуславливающие их востребованность для построения фотоумножителей, фотоэлементов, и других фотоэлектрических приборов. Свойства цезия и рубидия похожи, поэтому данные металлы во многом взаимозаменяемы.
Вообще эти металлы довольно широко используются и в радио, и в электротехнике, и в электронике, они применяются в производстве люминесцентных ламп, а соединения цезия и рубидия, как и сами металлы, удобны в качестве катализаторов и препаратов в неорганическом и органическом синтезе.
Литий главным образом применяется в ядерной энергетике и при электролизе алюминия. Карбонат лития, в качестве добавки к алюминию, снижает температуру плавления электролита, уменьшает расход анода и криолита, способствует энергосбережению и снижает себестоимость металла.
Стекло для катодно-лучевых трубок, кинескопы, стекла с электроизоляционными свойствами, - в этих областях добавки лития играют немаловажную роль. Безусловно, литий обширно применяется и в химических источниках тока.
Особенно в сфере высоких технологий распространен скандий: системы хранения данных с высокой скоростью обмена информацией; добавленный в ртутную лампу иоид скандия, в очень небольшом количестве, приближает ее свет к естественному солнечному. Из хромида скандия делают электроды для МГД-генераторов. Также скандий входит в состав материалов для солнечных батарей.
Тантал в качестве материала анодных пленок с особыми диэлектрическими свойствами находит применение в электронике. Электролитические конденсаторы на его основе качественнее алюминиевых, хоть и рассчитаны на работу при меньшем напряжении.
Титан, как и его сплавы, отличается повышенной прочностью даже при высоких температурах, коррозийной стойкостью, и при этом малой плотностью. Из него изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.
Основа жаропрочных сплавов – вольфрам. Из вольфрама изготавливают нити накаливания и другие детали электровакуумных приборов.
Сплавы молибдена, как и сам молибден, применяются для изготовления деталей электровакуумных приборов, предназначенных для длительной работы при температурах до 1800°С в вакууме.
Из молибдена изготовлено многочисленное оборудование для работы в агрессивных средах, в том числе и элементы ядерных реакторов. Высокотемпературные печи, электрические вводы лампочек, - здесь используют молибденовую ленту.
Особенно высоким спросом пользуются оксиды неодима и диспрозия, служащие для производства мощных магнитов.
Висмут участвует в производстве полупроводниковых материалов, в частности для термоэлектрических приборов, к таким материалам относятся теллурид и селенид висмута, а висмут-цезий-теллур дает перспективу для производства полупроводниковых холодильников суперпроцессоров.
Особо чистый висмут позволяет получать обмотки для измерения магнитных полей, поскольку сопротивление висмута почти линейно зависит от магнитного поля, измеряя сопротивление такой обмотки можно узнавать напряженность внешнего магнитного поля. Также висмут – один из компонентов бессвинцовых и легкоплавких припоев, служащих для монтажа чувствительных СВЧ-компонентов.
Селен – дырочный проводник (p-типа), в качестве полупроводника, селен используется в солнечных батареях, работающих как в открытом космосе, так и на земле. Свинец, легированный селеном, - материал решеток аккумуляторов.
Теллур применяют в качестве легирующей примеси при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов. Сплавы теллура со свинцом обладают высокой пластичностью и при этом прочны, поэтому из них делают и кабели. Сплав теллура, цезия и висмута позволил поставить рекорд полупроводникового холодильника, достигнута температура -237°C.
Стекла на основе теллура – полупроводники, и кроме электропроводности к их достоинствам относятся легкоплавкость и прозрачность. Такие стекла нашли применение в построении химической аппаратуры специального назначения.
На редкоземельной игле
Потребление редкоземельных металлов, или, как их называют специалисты, редких земель растёт достаточно бурно. В 1980 году в мире добывалось 25 тыс. т. К 2010 году эта цифра выросла в пять раз — 125 тыс. т в пересчёте на оксиды (принятая мера учёта). Годовой оборот рынка сегодня оценивается в 10 млрд. долларов и к 2015 году, по прогнозам экспертов, может вырасти вдвое. При современных темпах развития технологий через пять лет нам понадобится не менее 200–225 тыс. т РЗМ.
Так сложилось, что за последние 15–20 лет 95–97% всей редкоземельной продукции на глобальный рынок поставлял Китай. Осенью 2006 года Пекин поднял налоги на её экспорт. В августе 2010 года урезал экспортные квоты на 72%. А в течение 2011 года обещал сократить их ещё на 30%. В 2012–2014 году КНР планирует полностью прекратить вывоз РЗМ за рубеж, объясняя свои намерения истощением ресурсов, нарушением экологии и возрастанием внутренних потребностей. Решение китайских властей вызвало ажиотаж, если не сказать панику, на мировом рынке. Соответственно и цены на РЗМ подскочили на порядок.
ИСТОРИЯ КИТАЙСКОГО УСПЕХА
Экспансия Китая на рынок редких земель 30 лет назад, ещё в 1981 году, когда было открыто и освоено гигантское коренное бастнезитовое месторождение Баян-Обо, потенциал которого оценивался в 36 млн. т оксидов РЗМ. Для сравнения — все мировые запасы исчисляются 88 млн. т.
— Не знаю, миф это или правда, — рассказывает нашей газете начальник лаборатории отделения «Редкие металлы» ВНИИХТ, один из теперь уже немногих в нашей стране экспертов по редкоземельной продукции Андрей Селивановский, — но Ден Сяопину приписывают такие слова: «У нас нет нефти, зато у нас есть редкие земли».
И действительно, в КНР со всей серьёзностью подошли к добыче востребованного сырья. Это стало истинно народным делом.
— Однажды, в 1990‑х, наш институт посетил гость из Китая, — продолжает Андрей Селивановский, — и мы спросили, как у них обстоят дела с редкими землями. Он ответил: в нашей деревне неплохо. Оказалось, это была не шутка.
Некоторая доля суммарных редкоземельных концентратов была выведена из-под государственного контроля. Причина в том, что часть редкоземельных руд Китая — это, по сути, глины. Содержание целевого сырья в них очень мало, а сами глины рассредоточены по обширной территории. Промышленная переработка в этом случае нерентабельна. И вот что было придумано: в крестьянские дворы по всей стране завозились глина и необходимые реактивы, к примеру сульфат натрия и щавелевая кислота. Люди помещали глину в бочки, разводили водой, размешивали палкой или мотором, добавляли сульфат натрия, затем фильтровали раствор, засыпали в него щавелевую кислоту и собирали осадок солей РЗМ с чистотой около 75%. Эти соли сдавали на частные предприятия, естественно, за деньги. Там соли очищали от примесей и получали чистый суммарный редкоземельный концентрат в виде оксидов. Продукт сбывали государству. Разделение же суммарных концентратов на элементы полностью находилось в руках государства. Со временем заводы тоже перешли к частным владельцам, но контроль производства и жёсткое наблюдение за распределением по-прежнему осуществлялись сверху. Страна постоянно наращивала разделительные мощности, чтобы продавать за рубеж как можно больше дорогих отдельных элементов и как можно меньше дешёвого суммарного концентрата. Разница в цене между ними весьма значительная. Суммарные концентраты сегодня стоят в районе 40 долларов за килограмм, а раздельные редкоземельные элементы — от 30 долларов за килограмм самария до 10 тыс. долларов за килограмм лютеция.
С конца 80‑х годов прошлого века Китай регулярно поставлял всему миру редкие земли на самых выгодных условиях. В 90‑х благодаря демпингу Китая цены на сырьё упали в два-четыре раза. Дело и в том, что выделение редкоземельных металлов из породы — процесс не только дорогой, но и экологически «грязный», а в КНР про экологию и экологические законы тогда ещё никто толком не слышал. В результате из-за китайского демпинга большинство рудников со сравнительно высокой себестоимостью добычи повсеместно стали закрываться. В том числе, месторождение «Маунтин Пасс» (Калифорния, США), где запасы полезных компонентов составляли несколько миллионов тонн и которое с середины 60‑х до середины 80‑х оставалось основным источником редкоземельного сырья в мире. СССР, добывавший до 1986 года 8 тыс. т редких земель в год, не стал исключением. Прекратили деятельность разделительные заводы во Франции и Штатах. Китай превратился в почти полного монополиста — по добыче, обогащению, первичной переработке, сепарации с получением индивидуальных элементов и конечных соединений. А в последние годы страна ощутимо увеличила использование редких земель в собственных высокотехнологичных производствах.
— Если посмотреть на графики по добыче и использованию РЗМ в Китае, — подытоживает Андрей Селивановский, — можно увидеть, что к 2012–2014 году обе кривые должны сравняться. Экспорт сойдёт на нет.
Все эти годы и у нас, и на Западе некоторые специалисты продолжали настаивать на том, что редкие земли — стратегическое сырьё и что необходимо их производить самим. Однако данная сфера долгое время оставалась вне поля зрения большинства государств.
ЗАЧЕМ ОНИ НУЖНЫ
Редкие земли — это действительно стратегическое сырьё для любой крупной экономики. Например, выделение плутония из очень похожего по атомным свойствам урана происходит с помощью фторида лантана. В производстве монокристаллов для твердотельных лазеров (алюмоиттриевый, алюмогадолиниевый гранат) используется почти весь спектр редкоземельных элементов, и в первую очередь неодим, иттрий, церий, гадолиний и эрбий. Гадолиний, эрбий, диспрозий и европий благодаря уникальной способности поглощать нейтроны (высокому сечению захвата) добавляют в регулирующие стержни и в топливо для ядерных реакторов (уран-гадолиниевое и уран-эрбиевое). Например, доли процента эрбия могут продлить топливную кампанию на АЭС с трёх до пяти лет. Из этих же металлов делают специальные покрытия для защиты от радиации, используют в нейтронозахватной терапии для лечения запущенных раковых образований в головном мозге.
Редкие земли незаменимы в металлургии. Их смесь, так называемый мишметалл (сплав РЗМ, содержащий 45–50% Се, 20–25% La, 15–17% Nd и 8–10% других элементов), добавляется в сталь и абсорбирует паразитные элементы, такие как кислород, сера, фосфор. В результате сталь становится хладостойкой, жаропрочной, гибкой, улучшается её устойчивость к коррозии и вязкость. Также РЗМ используются для легирования титана, алюминия и других цветных металлов. Например, с помощью ввода иттриевой крошки на наноуровне в нержавеющую сталь во ВНИИНМ им. Бочвара в 2010 году сделали оболочки твэлов для БН‑1200, которые будут выдерживать немыслимые ранее нагрузки — температуру до 1,2 тыс. градусов и мощное облучение.
Из самария-кобальта и ниодима-железа-бора сегодня изготавливают постоянные магниты, значительно превосходящие старые бариевые и стронциевые магнитотвёрдые ферриты. Без редкоземельных магнитов сегодня немыслимо почти ни одно электронное устройство.
Полирит, то есть оксид церия, служит как для полировки обычных зеркал, так и для производства жидкокристаллических дисплеев и светочувствительных стёкол, полировки оптических линз и драгоценных камней. Что же касается добавки РЗМ в состав оптических линз, то именно за счёт них появляются уникальные свойства селективного пропускания и высокого коэффициента преломления. РЗМ востребованы как катализаторы для оптимизации выделения из нефти светлых нефтепродуктов.
Редкие земли используются в люминофорах, компонентах аудиосистем, в качестве маркеров в медицине. Ими легируют кремний для полупроводников. Кроме того, установлена закономерность — чем «выше» технология, тем больше для её применения нужно РЗМ. Так, для одного гибридного автомобиля, соответствующего последним европейским экологическим стандартам, требуется уже около 10 кг редкоземельных металлов — в основном в моторе и в аккумуляторной батарее. В общем, современное мировое сообщество, учитывая его страсть к инновациям, крепко сидит на редкоземельной игле.
СТАРЫЕ НОВЫЕ КОПИ
Теоретически выхода два: слезть с иглы либо уничтожить монополию Китая. Отказываться от достижений современной науки — солнечных батарей, мобильных телефонов и компьютеров, никто не собирается. Так что практически выход один: возродить добычу и производство РЗМ во всём мире. И хотя процесс обещает быть длительным и очень дорогим (по экспертным оценкам возрождение редкоземельной индустрии потребует 10 лет и десятков миллиардов долларов вложений), именно этим сегодня в экстренном режиме занимаются многие государства. Американцы в прошлом году создали специальный консорциум, среди задач которого лоббирование в Конгрессе и правительстве необходимости срочной реанимации промышленного комплекса РЗМ. США не только восстанавливают месторождения на территории страны, но и вне её. Так, компания Less Common Metals планирует запустить работы на законсервированном в 1963 году руднике Стинкапмскраль (ЮАР), бывшем в своё время мировым лидером по добыче тория.
Добавим, что в основном возрождение собственной редкоземельной промышленности в развитых странах сегодня поддерживается государственными инвестициями.
ШАНС ДЛЯ РОСАТОМА
— 20 лет назад редкоземельный комплекс СССР занимал третье место в мире по производству и второе место по запасам, — сказал в конце декабря директор ОАО «ВНИИХТ» Геннадий Сарычев, выступая на одном из совещаний в Росатоме, — полностью обеспечивая потребности внутреннего рынка и экспорта. В 1990 году было произведено 8,5 тыс. т РЗМ, при этом 5,5 тыс. т выдали предприятия Минсредмаша. Внутри страны потреблялось порядка 5 тыс. т. В настоящее время указанное производство отсутствует, а все потребности страны удовлетворяются за счёт импорта. Однако ОАО «ВНИИХТ» сохранило все необходимые компетенции, технологии и кадры и способно взять на себя технологическое лидерство по вскрытию руд, выщелачиванию и разделению суммарных концентратов РЗМ с получением групповых и индивидуальных элементов.
Добавим, что в 2010 году вышло распоряжение Росатома по подготовке тематической федеральной целевой программы. ВНИИХТ, как ведущий НИИ в области РЗМ, активно работает этом направлении. В результате, если у всех всё получится, Россия вообще и Росатом в частности могут превратиться в одного из крупнейших поставщиков редкоземельной продукции в мире. Не было бы, как говорится, счастья…
— Доля редкоземельных металлов в промышленной продукции, — говорит Андрей Селивановский, — мала. Вторичная переработка и извлечение РЗМ из отходов производства в основном низкорентабельно. Остаются руды.
В мире для добычи редких земель используются специальные руды. Особенность минерально-сырьевой базы России в том, что чисто редкоземельных руд у нас нет. Есть комплексные, в которых, в том числе, содержатся РЗМ.
Единственным источником сырья в настоящее время является месторождение «Ловозеро» на Кольском полуострове, где добываетсяч минерал лопарит, который затем отправляется на переработку в Соликамск. Там из лопарита извлекают тантал, титан и ниобий. Затем редкоземельный остаток дезактивируется и направляется в Эстонию для получения индивидуальных редкоземельных элементов. И только небольшая часть попадает на наш Чепецкий механический завод, в город Глазов. Если построить новое разделительное производство (его в России нет), то весь цикл можно восстановить.
Правда, остаётся ещё один очень важный вопрос — кадровое обеспечение этой деятельности. Специалисты по редким землям в России есть, но их крайне мало. Впрочем, тема кадрового дефицита сегодня актуальна практически для всех отраслей отечественной промышленности.
РЕСУРСЫ ЕСТЬ
Что же касается потенциального сырья, его в России достаточно: запасы РЗМ составляют 30% от мировых, то есть второе место по разведанным запасам и первое по прогнозным. РЗМ учтены в рудах 14 месторождений, причём преобладающая часть (60,2%) находится в апатит-нефелиновых рудах Кольского полуострова, при переработке которых РЗМ не извлекаются. Остальные запасы относятся к лопаритовым рудам Ловозёрского месторождения (14,2%), редкоземельно-апатитовым рудам Селигдарского месторождения в Якутии (22,8%) и, как попутные компоненты, редкометалльным рудам Улуг-Танзекского и нефтеносным песчаникам Ярегского месторождения.
— Месторождения в республике Саха очень перспективные, — говорит Андрей Селивановский, — но расположены они за полярным кругом, и строительство там комбината обойдётся в гигантскую сумму.
Месторождение на территории Якутии уникальное. Содержание редких земель в его рудах достигает феноменальных показателей в 12%. При этом разведанные запасы руды составляют 150 млн. т, а прогнозные едва ли не больше всех мировых. Более того, эти руды в значительных количествах содержат редкие металлы, в частности большие концентрации (около 5%) ниобия.
— А вот апатиты Кольского полуострова близко, и они вовсю используются, — продолжает мой собеседник, — из них делается лучшее в мире удобрение. По одной из технологий для получения из апатитов удобрений используется азотная кислота. При растворении в ней апатитов, процентов 80 редких земель переходят в раствор вместе с фосфором. И пропадают в полях. Но есть метод, мы принимали участие в его разработке, при котором после небольших изменений процесса переработки апатитов в удобрения можно организовать извлечение редких земель.
По другой технологии удобрение из апатитов делается посредством растворения в серной кислоте. При этом редкие земли в раствор не переходят, а остаются в отвале, который называется фосфогипсом и образует целые горы. На одном Воскресенском заводе фосфогипса 10–12 млн. т. Однако извлечь редкие земли из него куда сложнее, чем из раствора апатита в азотной кислоте. Это можно сделать, только если государство начнёт финансировать уничтожение отвалов фосфогипса. Заметим, что в апатите элементов среднетяжёлой подгруппы уже 8–9%, что совсем неплохо по мировым стандартам.
Ресурс редкоземельных металлов у России есть, находится он недалеко и уже разрабатывается. Осталось построить разделительное производство, войти в цепочку по переработке апатитов и можно восстановить своё третье место в мире по производству РЗМ.
Уникальные свойства редкоземельных металлов и их значение для отечественной промышленности в условиях неопределенности
Основной спрос на РЗМ генерируется технологически развитыми странами: Китай (54%), Япония и Южная Корея (24%), Европейские страны (13%) и США (8%). Тем временем предложение РЗМ на мировом рынке ограничено: 97% рынка приходится на поставки из Китая. Благодаря своим сырьевым запасам, низким экологическим требованиям и дешевой рабочей силе, Китай на протяжении 15 лет поставлял РЗМ на мировой рынок по демпинговым ценам, что приводило к нерентабельности производства РЗМ где-либо за пределами Китая. Поэтому цены на данном рынке подвержены значительным колебаниям и определяются в зависимости от экспортных квот Китая.
Так, в 2010 г. Китай резко сократил экспорт РЗМ и заявил о намерении полностью прекратить экспорт РЗМ к 2015-2016 г, в связи с ростом их внутреннего потребления. В результате, в 2011 г. цены на мировом рынке РЗМ выросли в 5-10 раз. В 2012 г. под угрозой принятия санкций ВТО, Китай частичного восстановил экспортные поставки РЗМ, что отразилось на снижении цен до привычного уровня. Дальнейшее развитие ситуации на рынке прогнозируется в таком же неблагоприятном ключе в силу физической нехватки РЗМ на мировом рынке. Перед странами мира встала серьезная проблема обеспечения своих национальных экономик редкоземельными металлами. В странах-потребителях РЗМ, таких как США и Австралия, были приняты экстренные меры по развитию научно-технологической базы для получения РЗМ, в результате чего к 2020 г. доля Китая на рынке РЗМ должна сократиться в два раза.
С целью «удовлетворения потребностей отечественного оборонно-промышленного комплекса, гражданских отраслей экономики и выхода на зарубежные рынки», как отметил в своем выступлении заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации Глеб Никитин, в России была разработана программа «Технологии редких и редкоземельных металлов», также на данный момент разработана программа «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года», в которую входит подпрограмма «Развитие промышленности редких и редкоземельных металлов».
На сегодняшний день Россия занимает второе место после Китая по балансовым запасам РЗМ, которые оцениваются в 28 млн. тонн оксидов, что делает нас серьезным игроком на мировом рынке в перспективе. Прогнозные ресурсы России составляют 5,2 млн. тонн и являются крупнейшими в мире. Российские запасы РЗМ сосредоточены в 16 месторождениях. Из них наибольший интерес вызывают: Ловозерское лопаритовое месторождение, Томторское месторождение и Хибинская группа месторождений апатитовых руд.
Однако, вследствие низкого содержания РЗМ в рудах, их извлечение чаще всего признается нерентабельным. К тому же на внутреннем российском рынке спрос на РЗМ до настоящего времени был не высок, всего около 2 тыс. тонн/год (2-3% от мирового потребления) и генерируется лишь двумя потребителями: госкорпорацией «Ростехнологии» и предприятиями оборонно-промышленного комплекса. Это лишний раз свидетельствует о техническом отставании ряда отраслей промышленности России от мирового уровня развития. В результате, на сегодняшний день РЗМ в России практически не добываются. В незначительных объемах (менее 2 тыс. тонн) добыча идет на Ловоозерском месторождении, вся продукция которого идет на экспорт в силу отсутствия в России предприятий промежуточного передела. Существующий внутренний спрос полностью удовлетворяется за счет импортных поставок РЗМ из Китая. В свете сложившейся ситуации на мировом рынке РЗМ, такая зависимость от китайского импорта является фактором риска для национальной безопасности и развития отечественной промышленности.
Поэтому поставленная задача обеспечения российской экономики РЗМ является стратегической. В рамках разработанной Госпрограммы предполагается освоение месторождения РЗМ Томтор в Якутии уже с 2015 г., что стало возможным в результате развития отечественных технологий и инноваций (руды Томтора радиоактивны). В программе предполагается участие двух крупных государственных корпораций – «Ростехнологии» и «Росатом».
Томторское комплексное редкометальное месторождение находится на северо-западе Республики Саха (Якутия) Российской Федерации, в пределах Оленекского улуса, в 400 км к югу от побережья моря Лаптевых, на водоразделе рек Уджа и Чима-ра. Практическая значимость нового типа руд Томтора определяется набором, колоссальными запасами и уникальными концентрациями ниобия (Nb), иттрия (Y), скандия (Sc) и тербия (Tr). Руды участка первоочередной отработки при планировавшихся незначительных объёмах добычи хватит более чем на 100 лет эксплуатации при окупаемости основных фондов предприятия от 4 до 7 лет. Объём кондиционных руд участка Буранный, подсчитанный по бортовому содержанию Nb2O5 1%, составляет колоссальную цифру 42,7 млн. т. На государственный баланс поставлены запасы нового геолого-промышленного типа по категориям В+С, предназначенные для открытой отработки по бортовому содержанию Nb2O5 3,5% и предельном коэффициенте вскрыши 3,5 м/м3 в объёме около 1,2 млн. т. Таким образом, на сегодняшний день Томторское месторождение по праву является лидером среди редкометалльных гигантов. По запасам и концентрациям Nb2O5 и TR2O3 , оно превышает все известные мировые аналоги и является уникальным. Так, месторождение Араша (Бразилия), дающее более 80% мировой добычи ниобия, содержит руды с концентрациями 2,5% Nb2O5, а в крупнейшем редкоземельном месторождении Bayan Obo (Китай) содержатся руды с концентрациями TR2O3 около 10%.
Содержания в балансовых рудах Томторского меторождения составляют следующие элементы: Ниобий: Nb2O5 - 6,71%; Иттрий: Y2O3 - 0,595%; Скандий: Sc2O3 - 0,048%; Тербий: Tr2O3 9,53%.
В настоящее время свойства и возможности этих элементов по достоинству оценены авиастроением, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой.
В свою очередь Ниобий нашел свое применение в производстве контейнеров для хранения радиоактивных отходов или установок по их использованию. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Ценность Скандия заключается в сочетании легкости и высокой теплостойкости, а также прекрасных прочностных характеристиках, значительной химической и коррозионной стойкостью. Некоторые части самолета МИГ-29 сделаны из сплава алюминия со скандием. Иодид скандия используется для производства осветительных элементов, а именно добавляется в ртутно-газовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру. Оксид скандия используется в производстве супер-ЭВМ (ферриты с малой индукцией). Радиоактивный изотоп Sc-46 (период полураспада 83,83 сут.) используется в качестве «метки» в нефтеперерабатывающей промышленности, для контроля металлургических процессов, и лечения раковых опухолей. Изотоп скандий-47 (период полураспада 3,35 сут.) один из лучших источников позитронов.
Другой элемент - Иттрий и его некоторые сплавы не взаимодействуют с расплавленным ураном и плутонием, что позволяет применять их в ядерном газофазном ракетном двигателе. Напыление (детонационное и плазменное) иттрия на детали двигателей внутреннего сгорания позволяет увеличить износостойкость деталей в 400-500 раз по сравнению с хромированием. Хромит иттрия – это материал для лучших высокотемпературных нагревателей сопротивления способных эксплуатироватся в окислительной среде (воздух, кислород). «Иттрий-локс» – твердый раствор двуокиси тория в окиси иттрия. Для видимого света этот материал прозрачен, как стекло, но также он очень хорошо пропускает инфракрасное излучение, поэтому его используют для изготовления инфракрасных «окон» специальной аппаратуры и ракет, а также используют в качестве смотровых «глазков» высокотемпературных печей.
Тербий используется в основном в виде оксидов в люминофорах, частично во флуоресцентных лампах, а также как высокоинтенсивный излучатель зеленого света в проекционных телевизорах. Оксид тербия эффективнее реагирует с рентгеновским возбуждением, и кроме того используется как рентгеновский люминофор. Соединения Тербия также используют в магнитооптической записи фильмов, для производства керамики и стекла и в качестве легирующей добавки в полупроводниковых приборах.
Таким образом, Госпрограмма позволит сформировать и создать целую отрасль, которая обеспечит поставку необходимых материалов для авиации, космоса, атомной промышленности и радиоэлектроники, которая на сегодняшний день практически на 100% зависит от импортных материалов. Необходимость и значимость данной программы заключается, прежде всего, в обеспечении стабильности именно этих отраслей промышленности, что повысит инновационность производства и позволило бы России представить на мировой рынок отечественную наукоемкую продукцию самого высокого качества с высокой добавленной стоимостью. В условиях складывающейся на сегодняшний день ситуации и ввода экономических санкций первостепенным является снижение уровня импортзависимости и решение задачи перевода на внутреннее обеспечений передовых отраслей промышленности и военной отрасли отечественной продукцией.
Монополия Китая на редкоземельные металлы. Как Штаты хотят ее расшатать
Металлы, известные как редкоземельные элементы, используются в большом разнообразии электроники. Смартфоны, электромобили и ветряные турбины, военная техника. А потому в мире, который полагается на высокие технологии, растет обеспокоенность по поводу обеспечения доступа к этому ресурсу. Особенно на фоне обострения торговой войны между США и Китаем и растущего спроса. Поднебесная уверенно доминирует в мировом производстве и запасах редкоземельных элементов.
Что такое РЗЭ и где они применяются?
Редкоземельные элементы (или металлы) не такие уж и редкие. Встречаются уж куда чаще золота. Их всего 17 видов, они тут и там разбросаны в больших количествах по миру. Беда лишь в том, что разбросаны они неравномерно, концентрация в залежах их может быть чересчур рассеянной, а потому и экономически добывать их далеко не всегда выгодно.
К тому же добывать и разделять РЗЭ совсем не просто — они схожи между собой по химическим свойствам. Для этого нужны соответствующие технологии, доводка в лабораторных условиях и слегка развязное отношение к окружающей среде. Часто добыча в шахтах связана с радиоактивными элементами, а потому сточные воды из них загрязнены со всеми сопутствующими последствиями.
США долгие годы были лидером по производству редкоземельных металлов. Но под нажимом «зеленых» и из-за низкого желания инвестировать в этот рынок отрасль сейчас там находится в полуживом состоянии. Рынок слишком непрозрачен, волатилен, разработка месторождений трудоемкая и затратная.
Горнодобывающий район Баян-Обо является одним из самых промышленно загрязненных районов мира. Здесь еще сто лет назад обнаружили залежи редкоземельных металлов, тут сконцентрированы самые крупные из их известных запасов.
Рабочий выпаривает кристаллы из электрофильтра промышленного масштаба на первой стадии переработки редкоземельных элементов. Кристаллы содержат повышенную концентрацию оксидов редкоземельных элементов, которые затем подвергаются дальнейшей очистке до достижения приемлемой концентрации. Фото: Toby Smith
С каждой добытой тонной редких металлов выбрасываются около 10 000 кубометров отработанного газа, фтористоводородной и серной кислоты, диоксида серы и т. д. Так выглядит токсичное озеро. Из одной тонны редкоземельных элементов образуется 75 тонн кислых сточных вод — смесь из кислот, тяжелых металлов, канцерогенов и радиоактивных материалов. Фото: Toby Smith
Завод по переработке редкоземельных элементов с центрифугами концентрирует редкоземельную руду для промышленного применения перед ее сушкой в порошкообразную форму. Фото: Toby Smith
Но как бы мало ни было редкоземельных металлов и как бы сложно ни было их добывать, они крайне нужны высокотехнологичному миру. Вот лишь некоторые примеры их применения.
Самарий в сплавах используют для производства сверхмощных магнитов. В потребительских товарах его можно найти в электрогитарах, где магнитный адаптер преобразует колебания струн в электрический сигнал. Также самарий содержится в регулирующих стержнях ядерных реакторов, так как он хорошо улавливает тепловые нейтроны и не выгорает. Оксид самария нашел применение в хороших огнеупорных материалах
Скандий в сплаве с алюминием используется при создании спортивного инвентаря — бейсбольных бит, рам и компонентов велосипедов. Этот же сплав используется в создании второстепенных компонентов аэрокосмической промышленности. Например, применялся в российских военных самолетах МиГ-21 и МиГ-29.
Неодим широко используется для создания мощных постоянных магнитов в сплаве с бором и железом. Неодимовые магниты используются в динамиках и наушниках, смартфонах и аппаратах для магнитно-резонансной томографии. Популярная игрушка неокуб состоит из шарообразных неодимовых магнитов.
Где находятся запасы РЗЭ?
Американская геологическая служба насчитала, что всего резервы редкоземельных элементов на планете составляют не меньше 120 млн тонн. Они относительно обильны в земной коре, но минимальная концентрация залежей для экономически обоснованной добычи меньше, чем в случае с другими рудами.
Китай располагает самыми большими разведанными запасами РЗЭ (44 млн тонн) и самым большим их производством (132 000 тонн в год). Буквально доминирует на рынке, если учесть, что общемировое производство составило 210 000 тон в 2019 году, а мировые запасы — 120 млн тонн.
Ближайшие конкуренты Китая — это США (26 000 тонн в год), Мьянма (22 000 тонн), Австралия (21 000 тонн). Есть еще пул совсем небольших добытчиков, среди которых Россия и Индия, произведшие менее 3000 тон за 2019 год.
Но уровень добычи не всегда связан с уровнем запасов. На территории Бразилии и Вьетнама, например, находятся залежи по 22 млн тонн РЗЭ в каждой. Однако добыча в этих странах не превышает 1000 тонн в год. Наибольшие запасы сосредоточены в том же Китае — 44 млн тонн, еще 12 млн тонн — в России, 6,9 млн тонн — в Индии. Миллионами тонн исчисляются залежи в Гренландии, Австралии, США.
Размер рынка редкоземельных элементов в 2019 году оценивался в $13,2 млрд. Ожидалось, что с постепенным ростом на почти 11% в год этот рынок увеличится до $19,8 млрд к 2026 году.
Ценовой кризис из-за монополии
Впервые массовая аудитория обратила внимание на редкоземельные металлы в 2011 году, когда цены на них достигли невероятных высот. Килограмм неодима, который используют в производстве наушников и гибридных электромобилей, в начале десятилетия стоил $42, через год — $283. Цена выросла почти в семь раз. На килограмм самария, необходимый в том числе для ракет, цена выросла с $18,5 до $146.
Тогда РЗЭ получили огромную огласку и стали известны широкой публике. Это было время, когда Китай ввел экспортные ограничения, а мир встревожился, что рынок высоких технологий может пострадать от дефицита предложения.
Кризис был интенсивным, но недолгим. Вскоре цены так же резко упали. Но осадочек остался. Мир был потрясен тем, насколько сильно он зависит от китайского производства и экспорта. Да, взлет цен был экстремальным. Вот только потребители его вряд ли заметили, так как РЗЭ во многих товарах используются только в следовых количествах. За редкими исключениями, как, например, в случае с гибридным авто Toyota Prius, для которого производителю нужен килограмм неодима.
На фоне этого американская Molycorp повторно активировала единственный в США рудник по добыче РЗЭ в Маунтин-Пассе. Но после падения цен в 2015 году компания обанкротилась. За время этого ценового кризиса в мире открылось более 400 потенциальных проектов, началась настоящая охота за сокровищами, геологоразведочный бум. Спекулянты и неопытные инвесторы скупали акции небольших горнодобывающих компаний.
Китай решил разыграть свое монопольное положение и своими же руками едва не создал себе конкурентов, переоценив свой долгосрочный стратегический план в отношении индустрии РЗЭ. Все-таки мировое потребление этого ресурса не столь велико. И одна-две альтернативные точки добычи и переработки на планете вполне могут обесценить целую пускай небольшую, но стратегически важную индустрию.
От монополии придется уйти
Китайская экономика меняется. От экспортно-ориентированной она все больше отходит в сторону потребительско-ориентированной. И экспорт РЗЭ будет продолжаться до тех пор, пока их производят сверх внутренних способностей.
По состоянию на 2018 год 80% РЗЭ, которые поставлялись в США, поступали из Китая. На фоне торговой войны между этими странами, которую разогрела администрация Трампа, в полный рост встал вопрос о зависимости американской экономики в этом сегменте от одной точки отказа.
В Штатах есть лишь одна действующая шахта, где добывают редкоземельные металлы. Она находится в Калифорнии, в Маунтин-Пассе. Перерабатывающее предприятие там было построено еще в 1950-х годах. После банкротства Molycorp его в 2017 году приобрела компания MP Materials. Модернизация ведется, а всю руду, что там сейчас откапывают, отправляют на переработку опять же в Китай.
В 2020 году администрация Трампа выделила $209 млн на поддержку добывающей отрасли. В финансирование частных компаний, которые ведут разработку редкоземельных металлов в Техасе и Калифорнии, вложилось министерство обороны США, а Пентагон инвестировал почти $30 млн в фирму, которая перерабатывает электронный мусор и добывает из него РЗЭ. Но пока ни одна из этих компаний не начала обрабатывать металлы в значительных количествах.
Аналитики отмечают, что в рамках свободного рынка и без значительной государственной поддержки на первых этапах отстроить отрасль практически невозможно. Порог входа на рынок крайне высок, а Китай доминирует на всех этапах — от добычи до производства конечной продукции с высокой добавленной стоимостью.
Китай начал развивать эту отрасль еще 30 лет назад, накопил огромный багаж опыта и знаний, а также когорту высококвалифицированных специалистов, которых трудно найти где-либо еще.
Да, редкоземельные элементы являются ценным товаром. Но сырая руда и рудные концентраты — это наименее ценные формы их существования. Окиси и сырье бесполезны для производителей оригинального оборудования. Они не умеют превращать их в металлы, сплавы и соединения.
Чтобы повторить успех Китая, нужно создать целую цепочку жизненного цикла РЗЭ, которая заканчивается в виде ценных компонентов или готовой продукции. Если рынок руды оценивается в миллиарды, то рынок товаров из РЗЭ оценивается в триллионы долларов.
В 1970-х годах Китай занимался лишь экспортом концентратов РЗЭ. Спустя 20 лет в стране уже производили магниты, люминофоры и полировальные порошки с применением редкоземельных металлов. Столь полной производственной цепочки нет ни у кого в мире. И создать ее по щелчку пальцев невозможно.
А потому на создание собственной цепочки от добычи до конечного продукта уйдут долгие годы, много инвестиций. И не факт, что результат окажется успешным.
— Мы полагаем, что потребуется почти десять лет, чтобы довести проект по редкоземельным элементам от первой идентификации минерала до производства, — считает Дэвид Мерриман из компании по анализу товаров Roskill. Так он прокомментировал амбициозные задумки Штатов полностью закрыть потребности в РЗЭ своими силами.
Читайте также: