Редкоземельные металлы: что это, свойства, где добываются

Фото: Донат Сорокин / ТАСС

Содержание:

• Что такое редкоземельные металлы
• Редкоземельные элементы и их свойства
• Как добывают редкоземельные металлы
• Где используются редкоземельные элементы
• География редкоземельных металлов
• Сколько редкоземельных металлов добывается в мире
• Редкоземельные металлы в Китае
• Редкоземельные металлы в России
• Редкоземельные металлы на Украине
• Что такое критические минералы и в чем их значение

Что такое редкоземельные металлы

Редкоземельные металлы (или элементы, РЗЭ) — это группа из 17 химических элементов, включающая скандий, иттрий и 15 лантаноидов. Хотя прилагательное «редкий» есть в их названии, редкими элементами по распространенности в земной коре они не являются. Но в концентрированном виде встречаются нечасто. РЗЭ востребованы в энергетике, микроэлектронике, металлургии, машиностроении, в наукоемких и ядерных технологиях, в том числе в производстве вооружений, аэрокосмического оборудования и медицинской техники.

Химические свойства РЗЭ близки, чаще всего они находятся в минералах совместно, а их разделение — довольно сложная технологическая задача. Кроме того, концентрация редкоземельных элементов в природе в ряде случаев ассоциирована с повышенным содержанием радиоактивных урана и тория, что предполагает организацию радиационного контроля (.pdf) при их переработке. Более 60% РЗЭ добывается в Китае, который является мировым лидером по переработке и выпуску продукции из этой группы элементов (85–90% в зависимости от типа металла).

По данным Геологической службы США (USGS), в 2024 году запасы редкоземельных металлов в мире составляли около 90 млн т, а годовое производство металлов этой группы оценивалось в 390 тыс. т. По мере роста спроса на РЗЭ в различных отраслях промышленности эти металлы стали предметом геополитической конкуренции и конфронтации, в первую очередь между Китаем и США.

Редкоземельные элементы и их свойства

К редкоземельным элементам (металлам) обычно относят скандий, иттрий, лантан и 14 лантаноидов — церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций. В природе они в основном встречаются в виде оксидных соединений. Название «редкоземельный» (от лат. terra rara) может вводить в заблуждение, поскольку на момент их обнаружения в конце XVIII века «землями» (лат. terra) назывались компоненты сложных оксидов, которые считались редкими. Теперь же известно, что в рассеянном виде они встречаются повсеместно, но довольно редко образуют месторождения.

Один из лантаноиндов — прометий — в природе практически не встречается, поскольку не имеет стабильных изотопов, все они сравнительно короткоживущие и радиоактивные.

РЗЭ не следует путать с редкими металлами — более широкой группой элементов (около 50), которые мало распространены и зачастую рассеяны в земной коре. К ним помимо РЗЭ относят литий, бериллий, тантал, никель, галлий, индий, вольфрам и др.

Редкоземельные элементы — это в основном металлы серебристо-белого цвета, они пластичные и электропроводные. Легкие лантаноиды окисляются на воздухе при комнатной температуре и образуют оксиды, температура окисления остальных — до 180–200°С. Эти металлы образуют многочисленные интерметаллические и комплексные соединения, что позволяет использовать РЗЭ как добавку к сплавам для придания им нужных свойств. Также могут выступать восстановителями оксидов, сульфидов, галогенидов других металлов.

Как добывают редкоземельные металлы

Значимое количество редкоземельных элементов содержится примерно в 250 минералах (.doc), но в качестве руд экономически целесообразны лишь некоторые из них. Основными рудами РЗЭ являются бастнезит (содержит легкие лантаноиды), монацит, ксенотим и лопарит. Скопления еще ряда минералов рассматриваются как перспективные. Кроме того, источником редких земель являются обогащенные ими глины, например, такие месторождения есть в Китае. В большинстве случаев редкоземельные металлы являются побочным продуктом при добыче других полезных ископаемых.

РЗЭ извлекаются из руд с применением обогатительных и пирогидрометаллургических технологий, в том числе и в качестве попутного компонента. Основная сложность производства РЗЭ заключается в большой капиталоемкости (на ввод в эксплуатацию одного проекта может потребоваться пять—восемь лет), высоких энергетических и материальных затратах их извлечения, отделения друг от друга и переработки. Дополнительные сложности добавляют ситуации, когда в рудах редкоземельных металлов повышена концентрация радиоактивных урана и тория.

Где используются редкоземельные элементы

РЗЭ в составе смесей или отдельных компонентов востребованы во многих сферах промышленности, в частности в производстве магнитов, специальных сплавов, катализаторов (например, при крекинге сырой нефти), аккумуляторных батарей, лазеров, стекла, керамики и другой продукции. Материалы с добавлением редкоземельных элементов входят в состав смартфонов, ноутбуков, жидкокристаллических дисплеев, радаров, ветрогенераторов, ядерных реакторов и так далее. При этом, по оценкам на 2022 год, до 44% спроса на это сырье генерирует производство постоянных магнитов, поэтому наиболее востребованными считаются «магнитные» неодим и празеодим.

РЗЭ особенно востребованы в экономиках Японии, США, Германии, обладающих значительной базой высокотехнологичных производств.

География редкоземельных металлов

Основные разведанные запасы РЗЭ содержатся в Китае — по оценкам USGS на 2024 год, это 44 млн т. Главным источником этого сырья является месторождение Баян-Обо во Внутренней Монголии, которое разрабатывает сталелитейная компания Baotou Iron and Steel Group. РЗЭ также добываются в провинциях Сычуань, Фуцзянь, Гуандун и Цзянси.

Значительные запасы, по оценке USGS, сосредоточены в Бразилии (22 млн т), Индии (6,9 млн т), Австралии (5,7 млн т), России (3,8 млн т) и Вьетнаме (3,5 млн т). Одним из крупнейших разрабатываемых месторождений является австралийское Маунт-Уэлд, оператором которого выступает компания Lynas Rare Earths.

Запасы США оцениваются в 1,9 млн т, основной источник — бастнезитовое месторождение Маунтин-Пасс в Калифорнии, оператором которого является компания MP Metals.

Среди других стран, обладающих значительными запасами этого сырья, — Мадагаскар, Малайзия, Нигерия, Мьянма (точные запасы неизвестны), Гренландия (1,5 млн т), Канада (830 тыс. т), Танзания (890 тыс. т) и ЮАР (860 тыс. т).

Сколько редкоземельных металлов добывается в мире

Объемы производства РЗЭ в связи с постоянно растущим спросом непрерывно растут. Если в 1992 году в мире было добыто 56,8 тыс. т, то в 2024 году объем производства, по оценкам USGS, достиг 390 тыс. т, из них 71,1% пришлось на Китай. По прогнозу Международного энергетического агентства (IEA), к 2030 году доля этой страны в добыче РЗЭ будет составлять 54%, в переработке — 77%.

В 2024 году добыча РЗЭ отличается высокой концентрацией: основные разрабатываемые месторождения находятся в Китае и Мьянме, по одному — в США, Австралии, Вьетнаме и Бразилии, на ряде других месторождений РЗЭ добываются в качестве побочного продукта производства титана и марганца. Еще выше уровень концентрации в переработке: основные мощности сосредоточены в КНР, за пределами этой страны относительно крупные перерабатывающие производства находятся только в Малайзии (Lynas), Эстонии (Silmet) и Вьетнаме (VTRE), готовятся к вводу небольшие предприятия в Австралии, США и Франции.

С середины 1960-х и до середины 1980-х годов США были крупнейшим поставщиком РЗЭ в мире, затем их место занял Китай. С 1990-х годов под давлением дешевого импорта из Китая американское производство сокращалось и остановилось в 2003 году. Добыча возобновилась только в 2012 году в связи с вводимыми Китаем экспортными ограничениями и рисками избыточной зависимости от Китая. Однако в 2024-м китайское сырье все еще обеспечивало значительную долю (70%) американского импорта РЗЭ.

Редкоземельные металлы в Китае

Добыча РЗЭ в Китае развивается с 1957 года и особенно активно — с конца 1970-х. В 1986 году по объему производства КНР обогнала США, а в течение 1990–2000-х годов страна существенно нарастила производство и сбыт РЗЭ по низким ценам, спровоцировав приостановку их добычи в других странах и обеспечив себе фактически монопольное положение на рынках. После прекращения в 2003-м добычи в США и до 2012-го эта страна стала доминирующим поставщиком РЗЭ в мире.

Ныне Китай остается и крупнейшим экспортером этого сырья, и единственной страной, обеспечивающей поставки всех типов готовой продукции. В индустрии задействовано около 200 частных и государственных компаний, при этом правительство активно занимается консолидацией отрасли. В частности, в декабре 2021 года путем слияния редкоземельных подразделений трех из шести крупнейших конгломератов была образована госкомпания China Rare Earth Group, которая сосредоточила 31% добычи всех РЗЭ в стране.

Параллельно с этим существует проблема черного рынка и нелегального вывоза РЗЭ из Китая.

С 1990 года, когда РЗЭ были объявлены стратегически важным сырьем, КНР ограничивает доступ иностранных инвесторов в индустрию, устанавливает экспортные пошлины, регулирует объемы разрешенных к экспорту РЗЭ и число лицензированных экспортеров (особенно много ограничений вводилось в период 2009–2011 годов), а также постоянно повышает экспортные цены. В частности, в 2010 и 2011 годах квоты были резко сокращены — на 37 и 35% соответственно. Дополнительно в 2010 году из-за территориального спора с Японией Пекин на два месяца приостановил поставки РЗЭ в эту страну. Действия КНР привели к пятикратному росту цен на сырье, спровоцировали возобновление добычи в США и Австралии и поиск альтернативных поставщиков для Японии, США и ЕС, кроме того, эти страны подали жалобы на действия Китая в ВТО. В январе 2015 года под давлением ВТО Китай отменил экспортные квоты. В декабре 2023-го КНР запретила экспорт технологий, связанных с добычей и переработкой этого сырья.

Редкоземельные металлы в России

Россия располагает крупными запасами редкоземельного сырья. По данным Минприроды России, балансовые запасы 15 видов РЗЭ составляют 28,5 млн т, или около 4,3% от всех запасов 29 видов редких металлов (658 млн т). На январь 2023-го балансовые запасы РЗЭ оценивались в 28,7 млн т в 18 коренных месторождениях, из них 46,1% — в Мурманской области, остальные — в Сибири и на Дальнем Востоке. Однако ведется добыча только лопаритового концентрата из руд Ловозерского месторождения в Мурманской области (оператор — Ловозерский ГОК), поэтому доля России в мировом рынке добычи РЗЭ составляет около 1%. По данным государственного доклада о состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов, по запасам редкоземельных металлов Россия занимает четвертое место в мире, а по добыче — седьмое.

Редкоземельные металлы на Украине

В настоящее время добыча РЗЭ на Украине не ведется. Современной оценки запасов редкоземельного сырья на Украине не существует. По данным Киевского института геологии, из РЗЭ в стране есть запасы лантана, церия, неодима, эрбия, иттрия. Потенциально значительны также запасы скандия (Желтореченское, Торчинское, Стремигородское и Злобическое месторождения). Как отмечали составители российского ГОСТа на редкоземельные элементы, из-за высокой реакционной способности скандия и высокой стоимости ни для этого металла, ни для его соединений не было найдено значительного применения. Но он изучается в качестве легирующей добавки в алюминиевых сплавах, и спрос на него может возрасти.

Содержащие РЗЭ руды на Украине распределены в породах так называемого Украинского щита. Среди важных месторождений с содержанием потенциально извлекаемых руд РЗЭ на подконтрольных Киеву территориях — Ястребецкое, Лозоватское, Калиновское, Южное, Тарасовское, Анадольское, Покрово-Киреевское. Три других месторождения — Новополтавское в Запорожье, Азовское неподалеку от поселка Володарское и Петрово-Гнутовское в долине реки Кальмиус к северо-востоку от Мариуполя — с 2022 года перешли под контроль России.

Что такое критические минералы и в чем их значение

РЗЭ часто включаются в классификации и перечни «стратегических» или «критически важных» типов минерального сырья, то есть наиболее важных для обеспечения национальной безопасности и развития экономики, в частности энергетики, наукоемких и высокотехнологичных отраслей. Помимо РЗЭ к ним часто относят медь, никель, литий, кобальт, графит, металлы платиновой группы, титан, индий, вольфрам, теллурий и др.

В России первый перечень основных видов стратегического минерального сырья из 29 позиций появился в 1996 году, он включал редкоземельные металлы иттриевой группы (тяжелые лантаноиды). В 2022-м он был значительно расширен до 61 позиции и включил все РЗЭ.

В ЕС первый список из 14 «критических» минералов был опубликован в 2011 году. Он обновляется раз в три года, регулярно пополняясь новыми элементами и их группами. В последний — пятый — список, обнародованный в 2023-м, вошло 34 типа сырья. В него входят все типы редкоземельного сырья.

В США список из 50 критических минералов был разработан и опубликован в 2022 году USGS в соответствии с требованиями Закона об энергетике 2020 года, он периодически обновляется. Он включает, но не исчерпывается РЗЭ: в него, в частности, входят алюминий, который используется практически во всех отраслях хозяйства, а также литий, кобальт, цинк и другие металлы.

В 2023 году Минэнерго США опубликовало отдельный список из 16 полезных компонентов и двух материалов, востребованных в энергетике. Это алюминий, кобальт, медь, диспрозий, электросталь, фтор, галлий, иридий, литий, магний, природный графит, неодим, никель, платина, празеодим, кремний, карбид кремния и тербий.