14 февраля 2011

На редкоземельной игле

Лантан, лантаноиды, скандий и иттрий — редкоземельные металлы, без которых современные высокотехнологичные устройства и установки, от мобильного телефона до ядерного реактора, не могут существовать. Так вышло, что в последние годы все необходимые миру РЗМ — 125 тыс. т в год — поставлял Китай. Но минувшей осенью там решили в ближайшие годы полностью прекратить экспорт, чтобы использовать их внутри страны. Грядущий дефицит на этом рынке открывает перед Россией новые перспективы.

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.

Премьер Японии в конце октября 2010 года договорился о разработке Вьетнамом месторождений и поставке редкоземельной продукции в Японию. Группа компаний Lynas планирует уже в этом году добыть 11 тыс. т редких земель в Австралии. Примеров множество, в частности по одному из последних сообщений канадская Stans Energy Corporation намерена восстановить добычу и производство редкоземельных металлов в Киргизии. Канадцы планируют полностью выкупить завод, расположенный рядом с рудником по добыче редкоземельных металлов «Кутессай‑2», а также железнодорожный терминал. А ведь это то самое предприятие, которое обеспечивало некогда СССР 80% РЗМ самой ценной, среднетяжёлой подгруппы.

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.

Павел ОРЛОВ,
«Страна РОСАТОМ»

СПРАВКА
Название «редкоземельные элементы» исторически сложилось в конце 18 — начале 19 века, когда ошибочно считалось, что минералы, содержащие элементы двух подсемейств — цериевого (лёгкие — La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и иттриевого (тяжёлые — Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu), редко встречаются в земной коре. В то же время по запасам сырья РЗМ не являются редкими, по суммарной распространённости они превосходят свинец в 10 раз, молибден — в 50 раз, вольфрам — в 165 раз.
Кроме того, РЗМ образуют тугоплавкие, практически не растворимые в воде оксиды. И с этим фактом связана вторая предпосылка для их наименования, ведь такие оксиды в начале 19 века и ранее назывались «землями».
В 1794 году финский химик Юхан Гадолин, исследуя рудные образцы вблизи шведского местечка Иттерби, обнаружил неизвестную до того «редкую землю», которую назвал по месту находки иттрий. Позже немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттрий, а другую назвал церий (в честь недавно открытой малой планеты Церера и по имени древнегреческой богини). Немного времени спустя шведский учёный Мосандер сумел выделить из того же образца ещё несколько «земель». Все они оказались оксидами новых элементов, получивших название «редкоземельные металлы». К 1907 году химики обнаружили и идентифицировали всего 14 таких элементов. На основе изучения рентгеновских свойств всем им были присвоены атомные номера от 57 (лантан) до 71 (лютеций), кроме 61. В целом на сегодня специалисты выделяют 16 редкоземельных элементов (в список добавились иттрий и скандий).

СПРАВКА

С распадом СССР мы лишились богатейшего источника сырья по иттрию и металлам иттриевой группы, добыча и производство которых были сосредоточены в Киргизии (Киргизский ГМК, месторождение «Кутессай»). Перспективная потребность России в РЗМ может быть удовлетворена за счёт нового предприятия на базе разведанных запасов Томторского месторождения. Его руды содержат в среднем 9–12% оксидов РЗМ, то есть являются их природным концентратом.