Введение в технологию редких и радиоактивных элементов

1.

Введение в технологию редких
и радиоактивных элементов
Половов
Илья Борисович
Доцент, канд. хим. наук

2.

• Введение
• Применение редких металлов в атомной
технике и других отраслях
промышленности
• Вопросы экономики редкометальной
промышленности
• Сырье для получения редких металлов
• Принципы построения и выбора
аппаратурно-технологическиех схем по
получению редкометальной продукции

3. Основная литература

1. Конспект лекций.
2. Половов И.Б., Ребрин О.И. Конспект лекций по курсу
«Введение в химическую технологию материалов
современной энергетики», (эл.), study.ustu.ru
3. Ребрин О.И., Половов И.Б., Волкович В.А. Конспект
лекций по курсу «Технология редких элементов»,
(эл.), study.ustu.ru
4. Коровин С.С. и др. Редкие и рассеянные элементы.
Химия технология, М.: МИСИС, Т.1 (1996), Т.2
(1999), Т.3 (2003)

4. Дополнительная литература

1. Кулифеев В.К., Миклушевский В.В., Ватулин И.И.
Литий. М.:МИСиС, 2006.
2. Плющев В.Е., Степин Б.Д. Химия и технология
соединений лития, рубидия и цезия. М.:Химия,
1970.
3. Силина Г.Ф., Зарембо Ю.И., Бертина Л.Э.
Бериллий. М.: Атомная энергия, 1960
4. Михайличенко А.И. и др. Редкоземельные
металлы. М.: Металлургия, 1987.
5. Металлургия циркония и гафния. / под ред.
Нехамкина Л.Г., М.: Металлургия, 1979.

5. Дополнительная литература

6. Зеликман А. Н. и др. Ниобий и тантал. М.:
Металлургия, 1990.
7. Зеликман А.Н. Молибден. М.: Металлургия, 1970.
8. Зеликман А.Н., Никитина Л.С. Вольфрам. М.:
Металлургия, 1978.
9. Нашельский Я.А. Технология полупроводниковых
материалов. М.: Металлургия, 1987.
10. Кобжасов А.К., Палант А.А. Металлургия рения.
Алма-Ата: Мин.нар.образов.респ. Казахстан, 1992.
11. Крейн О.Е. Отходы рассеянных редких металлов.
М.:Металлургия, 1988.

6. Введение. Определение понятия «редкий элемент»

Редкие элементы – условное название
группы химических элементов относительно
новых в плане технического использования
Был предложен количественный
геохимический критерий отнесения
элемента к категории «редкий». Основная
граница деления проходит по содержанию
элемента в земной коре на уровне 0.1 %.

7. Распространённость элементов в земной коре

Декада
Кларк
Элементы
I
K>10
II
10<K<1
III
1<K<10-1
IV
10-1<K<10-2
F, Ba, N, Sr, Cr, Zr, V, Ni, Zn, Cu,
лантаноиды
V
10-2<K<10-3
Rb, Li, Y, B, Sn, Co, Th, Pb, W, Mo, Br, Cs
VI
10-3<K<10-4
Sc, As, U, Be, Ar, Cd, Hf, Ge, Ga, I
VII
10-4<K<10-5
Se, Sb, Nb, Ta, Pt, Ag, Tl, Bi, In
VIII
10-5<K<10-6
Hg, Pd, Ru, Os, Rh, Te, He
IX
10-6<K<10-7
Ne, Au, Re
X
10-7<K<10-8
Kr
XI
10-8<K<10-9
Xe
XII
10-9<K<10-10
Ra
XIII
10-10<K<10-11
Pa, Po
O (47.2%), Si (27.6%)
Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H (~1%)
Ti, C, Cl, P, S, Mn

8. Введение. Определение понятия «редкий элемент»

К «редким» не относят барий, хром, никель,
кобальт, бор, хотя их содержание в земной коре
имеет порядок 10-2 %. Такое решение
мотивировано широким применением этих
элементов в промышленности.
Еще 9 элементов не считают редкими, как
известные с глубокой древности. Это золото,
серебро, ртуть, свинец, олово, сурьма, цинк,
медь, мышьяк, содержание которых много
меньше выбранного предела.
Говоря о редких элементах, исключают так же
благородные газы и галогены.

9. Введение. Определение понятия «редкий элемент»

Редкие металлы, обладающие общностью
физических или химических свойств,
выделены в особые группы:
легких (Li, Rb, Cs, Be);
тугоплавких (Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Re);
платиноидов (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt);
редкоземельных элементов (иттрий, лантан и 14
лантаноидов)
радиоактивных (U, Th, Pu, Tc и т.д.);
рассеянных (Rb, Ga, In, Tl, Ge, Hf, Se, Te, Re).

10.

11. Введение. Редкие металлы в периодической системе

Группа
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
Металл
Li, Rb, Cs
Be, Sr, Ra
Sc, Y, La, Ln, Ga, In, Tl, An
(Ti), Zr, Hf, Ge
V, Nb, Ta
Mo, W, Se, Te
Tc, Re
Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt

12. Применение редких элементов. Вчера

13. Применение редких элементов. Вчера

Газовое
освещение
(конец XIX –
начало XX в.)

14. Применение редких элементов. Вчера

Добавки к сталям
Лампы накаливания
Уран и торийсодержащие краски
Керамика
из оксида
тория

15. Применение редких элементов. Вчера

Радиевая
терапия
(1910 г.)
Реклама радиевого
омолаживающего
крема (1919 г.)
Патентованная радоновая ванна (1923 г.)

16. Применение редких элементов. Вчера

Карманные часы
со светящимся циферблатом
Авиационные приборы,
покрытые радиевыми красками

17. Применение редких элементов. Вчера

В 1958 г. В. Ноддак вступил с докладом
"Техническое разделение и получение в чистом
виде редкоземельных элементов семейства иттрия".
В сообщении указывалось, что для выделении 10
мг окиси гольмия чистотой 99 % автору пришлось
проделать 10 тыс. фракционных
перекристаллизаций.
Открытия редких элементов сопровождались
наибольшим числом случаев открытия уже
открытых элементов, разделения новых элементов
еще на группы, открытия, наоборот,
несуществующих элементов

18. Схема открытия цериевых РЗЭ

Самарий
Цериевая земля
(Клапрот, 1794)
Церий
Дидим
(Мозандер,
1839)
Лантан
Самарий
Гадолиний
(Мариньяк,
1880)
Европий
(Демарсэ,
1896)
Неодим
(Ауэр фон
Вельсбах,
1885)
Дидим
Празеодим

19.

Применение редких элементов.
Вчера
Рудное сырье,
содержащее редкие
металлы, как правило,
весьма бедное.
Содержание ценного
компонента обычно
составляет 0.001-0.01
мас. %

20.

Применение редких элементов.
Вчера
Дополнительную
сложность
представляет
многокомпонентность
состава руды и близость
свойств многих редких
элементов.
Производство РМ было
основано в середине
ХХ века с развитием
технологий жидкостной
экстракции и ионного обмена

21.

Применение редких элементов.
Вчера
Развитие технологий производства редких
металлов в 50-х гг XX века было связано
с развитием атомной отрасли

22.

Применение редких элементов.
Сегодня
В настоящее
время
мирная
атомная
энергетика
является
единственным
источником
электроэнергии,
способной к наращиванию
своих мощностей

23.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Мировое энергопотребление
Единица измерения - Q = 1018 Btu = 1,055 1021 Дж
(эквивалентно ~ 35,7 млрд. т. условного топлива (7000
ккал/кг) или ~ 25 млрд. т. нефти).
По оценке 1-ой Женевской конференции по мирному
использованию атомной энергии (1955 г.) за 1860 лет новой
эры, т.е. до 1860 г., человечество потребило от 6 до 9 Q
энергии.
Далее оценки МАГАТЭ:
1860 -1970 гг. – 7 Q.
1982 г. – 0,26 Q.
1982-2000 гг. – 7 Q.
2000-2020 гг. – примерно 15 Q.
Расход энергии удваивается примерно каждые 20 лет.

24.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Население Земли
1900 г. – 1,6 млрд. чел.,
1965 г. – 3,2 млрд. чел.,
1975 г. – > 4 млрд. чел.,
1995 г. – 5,4 млрд. чел.,
2000 г. – 6,1 млрд. чел.
Прогноз на 2020 г. составляет ~ 15 млрд.
чел.

25.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Энергетические запасы
1. Возобновляемые источники энергии.
1.1. Гидроэнергетические (реки) 0,2 Q/год.
1.2. Энергия естественного фотосинтеза 0,1
Q/год (тогда как общий поток
солнечной энергии на Землю составляет
3000 Q/год).
1.3. Энергия ветров, геотермальная,
морских приливов и отливов.

26.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Энергетические запасы
2. Невозобновляемые источники энергии
2.1. Доступные (всего ~ 90 Q).
2.1.1. Каменный и бурый уголь 74 Q.
2.1.2. Нефть 10 Q.
2.1.3. Природный газ, конденсат 6 Q.
2.2. Прочие виды топлива (сланцы, торф и др.)
могут быть использованы позднее и дадут
примерно ещё 250 Q.

27.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Энергетические запасы
3. Ресурсы ядерной энергии (только
при использовании их в реакторах
деления).
3.1. Уран-235 при использовании в
тепловых реакторах – 5 Q.
3.2. Уран и плутоний при полном
использовании в реакторах на быстрых
нейтронах – до 700 Q.
3.3. Торий (и уран-233) при использовании
смешанных топливных циклов в
быстрых реакторах – до 5600 Q.

28.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Теплотворная способность топлива
Топливо
Теплотворная
способность, МДж/кг
Выбросы СО2,
г/МДж
45 - 46
70 - 73
Природный газ
55
51
Каменный уголь (в среднем)
12
90
Бурый уголь (в среднем)
9,7
~ 350
Древесина (сухая)
16
94
Естественный уран (в реакторах типа ВВЭР
с U и Pu повторного цикла)
650.103
---
Естественный уран (в реакторах CANDU)
650.103
---
Естественный уран (в реакторах БН)
28.106
---
Уран, обогащённый до 3,5% (в реакторах
типа ВВЭР)
3,9.106
---
Сырая нефть

29.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Выбросы
углекислого газа
при производстве
электрической
энергии
различными
способами
– СО2 при сжигании топлива;
– при работе станции и её обслуживании.

30.

31.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Атомная энергетика в мире
По данным МАГАТЭ на 31 декабря 2017 г. атомные
энергетические реакторы эксплуатировались
в 33 странах мира.
Всего в эксплуатации находилось 448 блоков, общей
мощностью 392,0 ГВт эл., что составляло примерно 16.3 %
мирового производства электрической энергии.
59 ядерных реакторов строится в настоящий момент.
На первом месте по количеству работающих
энергоблоков находятся США – 99 блока, первое место
по доле атомной энергетики в производстве
электроэнергии занимает Франция – 71.6%.

32.

Атомная энергетика в мире (2017 г.)
Кол-во
действующих
(стоящихся)
энергоблоков
Производство
электроэнергии,
ТВт∙ч
Доля АЭС в
производстве
электроэнергии,
%
США
99 (2)
805,6
20,0
Франция
58 (1)
381,8
71,6
Япония
42 (2)
29,3
3,6
Германия
7 (0)
72,2
11,6
Швеция
8 (0)
63,1
39,6
Россия
35 (7)
190,8
17,8
Индия
22 (7)
34,9
3,2
Китай
39 (18)
232,8
3,9
24 (4)
141,3
27,1
Страна
Ю. Корея

33.

Ядерные реакторы мира (2003)

34.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Прогнозы
развития
атомной
энергетики
в мире

35.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Атомная программа России
1. Концепция долгосрочного социально-экономического
развития России на период до 2020 года.
2. Энергетическая стратегия 2030.
3. Проект ЭС-2035.
4. Генеральная схема размещения объектов
электроэнергетики
5. Отраслевые программы.

36.

Прогнозные вводы новой мощности на
электростанциях России, ГВт
2006-
2011-
2016-
2021-
2026-
2010
2015
2020
2025
2030
29,7
74-89
70-86
66-88
77-95
317-387
в т.ч. ГЭС и ГАЭС
4,1
6-9
12-13
13-19
8-21
44-66
АЭС
1,4
10-13
16-19
21-26
33-34
80-93
ТЭС – всего, в т.ч.
22,2
58,3
41,1
32,6
34,6
188,8
ТЭЦ
5,9
35,4
24,3
17,2
24,5
107,3
КЭС
16,3
22,9
16,2
13,6
10,1
79.2
Новая мощность –
всего
Всего до 2030 г.

37.

Атомная энергетика в России.
Итоги 2018 г.

38. ГЕНСХЕМА АЭС: ЛОГИКА КОНЦЕПЦИИ ЭС-2030

Волгодонск-2, Курск-5, Калинин-4, Балаково-5
Замещение новыми площадками выбывающих
энергоблоков: Нововоронежская-3-4-5,
Ленинградская-1-2-3-4, Кольская 1-2-3-4,
Курская 1-2-3, Белоярская-3, Смоленская 1-2
Перспективные регионы для ввода АЭС:
Северо-запад, Московский регион, Северный
Кавказ, Юг Урала, Тюмень, Юг Сибири и
Приморье
Прирост базовой нагрузки потребления
электроэнергии по субъектам РФ к 2030 г
< 2 ГВт
2 – 4 ГВт
Новые мощности АЭС в «точках роста»
Замещение выбывающих энергоблоков действующих АЭС
4 – 10 ГВт
> 10 ГВт
Ускоренный ввод АЭС на существующих заделах
38

39.

Строительство новых блоков АЭС
до 2020 года (генеральная схема размещения), 2005 г.

40.

Строительство новых блоков АЭС
до 2035 года (генеральная схема размещения), 2017 г.
Наименование
2016, факт
2016-2020
2020-2035
Балаковская АЭС
4хВВЭР-1000
Белоярская АЭС
БН-600
БН-800 (2016-17)
БН-1200
Билибинская АЭС
4хЭГП-6
-3хЭГП-6
-1хЭГП-6
Калининская АЭС
4хВВЭР-1000
Кольская АЭС
4хВВЭР-440
Курская АЭС
4хРБМК-1000
Ленинградская АЭС
4хРБМК-1000
Ленинградская АЭС - 2
Нововоронежская АЭС
-2хВВЭР-440
-2хРБМК-1000
2хВВЭР-1200
1хВВЭР-1000, 2хВВЭР-440
Нововоронежская АЭС - 2
ВВЭР-1200 (2016-17), ВВЭР-1200
Ростовская АЭС
3xВВЭР-1000
1xВВЭР-1000
Смоленская АЭС
3хРБМК-1000
-1хРБМК-1000
Академик Ломоносов
-2хРБМК-1000
-2хРБМК-1000
2xКЛТ-40
Кольская АЭС - 2
ВВЭР-600
Центральная АЭС
2хВВЭР-ТОИ
Смоленская АЭС-2
2хВВЭР-ТОИ
Нижегородская АЭС
2хВВЭР-ТОИ
Татарская АЭС
ВВЭР-ТОИ
Южноуральская АЭС
БН-1200
Северская АЭС
БРЕСТ-300 (2025)

41.

Применение редких элементов.
Сегодня. Роль ядерной энергетики
Россия поставляет топливо на 76 энергетических
реакторов в 14 стран мира, что составляет 17%
мирового рынка ядерного топлива
ТВС для
Framatome
ANP
Германия,
Швеция,
Швейцария
8 реакторов
ВВЭР-1000
ВВЭР-440
Россия - 12
Украина - 11
Болгария - 2
Китай - 4
Индия - 2
Иран - 1
Россия - 6
Украина - 2
Болгария - 2
Армения - 1
Финляндия - 2
Словакия - 6
Чехия - 4
Венгрия - 4
РБМК
Быстрые
реакторы
Россия - 8
Россия - 2

42.

Применение редких элементов. Сегодня.
Применение U, Th и Pu в атомной энергетике
В современной ядерной энергетике находят
применение изотопы
урана U235, U233, U238;
тория Th232;
плутония Pu239, Pu241
Делящиеся изотопы: U235, U233, Pu239, Pu241

43.

Применение редких элементов. Сегодня.
Применение U, Th и Pu в атомной энергетике
Деление урана
Реакцию деления урана можно представить
следующим образом:
235 + n1 → AM +
236-M-(2÷3) +
92U
0
Z
92-ZB
+ (2÷3) 0n1 (Е > 1,4 МэВ) + (195÷200 МэВ)
из них примерно 168 МэВ - кинетическая энергия
радионуклидов деления (РНД).
3,1∙1010 делений в секунду дают 1 ватт энергии.

44.

Применение редких элементов. Сегодня.
Применение U, Th и Pu в атомной энергетике
Деление урана
Пример:
235
92U
+ 0n1 →
94
38Sr
+
140
54Xe
+ 2 0n1
Затем следуют цепочки радиоактивных
превращений:
94
38Sr
140
54Xe
→
→
57
→
39Y
94
140
55Cs
La140 +
+ β- →
94
40Zr
+ β-
+ β- → 56Ba140 + β- →
β- → 58Ce140 + β-

45.

Применение редких элементов. Сегодня.
Применение U, Th и Pu в атомной энергетике
Классификация нейтронов по энергиям
Тепловые нейтроны: Е = 0,0253 эВ
Медленные нейтроны: 0,0253 < Е < 1 эВ
Нейтроны промежуточных энергий: 1 < E < 1000 эВ
Быстрые нейтроны: E > 1000 эВ
(в основном > 1,4 МэВ)

46.

Применение редких элементов. Сегодня.
Применение U, Th и Pu в атомной энергетике
Конверсия природного урана-238 в
плутоний-239 и природного тория-232 – в
делящийся уран-233
238 + n1 →
239 (T = 23,5 мин) + γ →
U
U
92
0
92
½
239 (T
Np
93
½ = 2,33 сут.) + β →
→
232 + n1 →
Th
90
0
→
239 + β
Pu
94
233 (T = 23,3 мин) + γ →
Th
90
½
233 (T
Pa
91
½ = 27,4 сут.) + β →
233 + β
U
92

47.

Применение редких элементов. Сегодня.
Применение U, Th и Pu в атомной энергетике
Конверсия природного урана-238 в
плутоний-239 и природного тория-232 – в
делящийся уран-233
238 + n1 →
239 (T = 23,5 мин) + γ →
U
U
92
0
92
½
239 (T
Np
93
½ = 2,33 сут.) + β →
→
232 + n1 →
Th
90
0
→
239 + β
Pu
94
233 (T = 23,3 мин) + γ →
Th
90
½
233 (T
Pa
91
½ = 27,4 сут.) + β →
233 + β
U
92

48. Применение редких элементов. Сегодня. Применение U, Th и Pu в атомной энергетике

Ядерные константы делящихся нуклидов
Свойство
Сечение деления, барн
U n
233
1
Сечение захвата, барн
92
0
Число нейтронов на
1 акт деления, шт
Число нейтронов на
1 поглощ. нейтрон, шт
233U
235U
239Pu
Т.н.Деление
Б.н. Т.н. +
Б.н.энергия
Т.н. Б.н.
531 2.0 580 1.3 742 2.1
47 0.1 98 0.1 267 0.1
2.5Захват
2.5 2.4нейтрона
2.5 2.9 3.0
2.3
2.4
2.0
2.3
2.1
Т.н. – тепловые нейтроны; Б.н. – быстрые нейтроны
2.9

49. Применение редких элементов. Сегодня. Применение U, Th и Pu в атомной энергетике

Ядерные константы нуклидов-размножителей
232Th
Свойство
238U
Сечение деления, барн
Т.н.
-
Б.н.
0.08
Т.н.
-
Б.н.
0.31
Сечение захвата, барн
7.4
0.2
2.7
0.14
Т.н. – тепловые нейтроны; Б.н. – быстрые нейтроны

50. Применение редких элементов. Сегодня. Применение U, Th и Pu в атомной энергетике

Пример расчёта энергии, выделяемой при реакции
деления:
235 + n1 →
144 +
90 + 2 n1
92U
0
56Ba
36Kr
0
Атомные массы:
уран-235 – 235,0439 а.е.м., нейтрон – 1,0087 а.е.м.,
барий-144 – 143,881 а.е.м., криптон-90 – 89,947 а.е.м.
Тогда суммарная масса исходных реагирующих
участников – 235,0439 + 1,0087 = 236,0526 а.е.м.,
продуктов – 143,881 + 89,947 + 2,0174 = 235,8454
а.е.м.

51. Применение редких элементов. Сегодня. Применение U, Th и Pu в атомной энергетике

Так как 1 а.е.м. = 1,6605402∙10-27 кг,
получаем изменение массы в ходе реакции:
236,0526 – 235,8454 = 0,2072 а.е.м. или 3,440639∙10-28
кг.
Из E = m∙c2 следует, что на каждый атом урана
выделится 3,09∙10-11 Дж энергии.
1 г урана-235 содержит 25,626∙1020 атомов.
При полном делении 1 г урана по рассмотренной
реакции должно выделиться
7,925∙1010 Дж (или 79,25 ГДж) энергии.

52.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По назначению
1. Конверторы (для конверсии урана-238 в
плутоний-239, для конверсии тория-232 в
уран-233, смешанных циклов).
2. Энергетические (стационарные, мобильные,
вторичные, т.е. служащие для производства
неядерного топлива, например, водорода).
3. Двуцелевые (многоцелевые).
4. Исследовательские (генераторы потоков
нейтронов).

53.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По характеристикам нейтронов
1. На тепловых нейтронах (отдельно можно
выделить реакторы, работающие на медленных
(надтеплловых) нейтронах с энергиями менее 1
эВ).
2. На нейтронах промежуточных энергий.
3. На быстрых нейтронах (в основном с энергиями
нейтронов более 1,4 МэВ).

54.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По способу теплосъёма и составу
теплоносителя
1. С водяным теплоносителем - корпусные (ВВЭР
440, 1000, 1200; PWR; BWR), канальные (РБМК
1000, 1500).
2. С жидкометаллическим теплоносителем (в
качестве теплоносителя используют натрий,
свинец, натрий-свинцовый сплав; примерами
таких реакторов являются БН-350, 600 и 800;
БОР 10 и 60; БРЕСТ).

55.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По способу теплосъёма и составу
теплоносителя
3. С циркулирующим топливом (например, с
топливом в виде солевого или металлического
расплава, с твёрдым шарообразным топливом).
4. С газовым теплоносителем (применение нашли
такие газы как гелий, аргон, углекислый газ,
диоксид азота).
5. С органическим теплоносителем

56.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По изотопному составу топлива
1. На естественном уране.
2. На уране, обогащенном по 235-ому изотопу.
3. На плутониевом топливе.
4. На уране-233.
5. На смешанных топливах.

57.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По составу ядерного топлива
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
С металлическим топливом.
С оксидным топливом.
С карбидным топливом.
С нитридным топливом.
С композиционным (смешанным) топливом.
С топливом в виде водных растворов.
С топливом в виде солевых расплавов.
С газообразным топливом (смеси UF6 с другими
фторидами).
На смешанных топливах.

58.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По составу замедлителя
1. Графитовые.
2. Легководяные – на Н2О.
3. Тяжеловодяные – на HDO и D2O.
4. На литии-7.
5. На бериллии (в виде металла или оксида).
6. С органическим замедлителем (парафины и т.
д.).

59.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
По результатам работы
1.Регенеративные (с коэффициентом
воспроизводства менее 1).
2.Размножители (бридеры) – с коэффициентом
воспроизводства более 1.
Коэффициент воспроизводства - отношение
числа ядер образовавшегося топлива к числу
ядер выгоревшего делящегося топлива.

60.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
Основы работы ядерных реакторов
Каждый нейтрон, образовавшийся в результате
акта деления, в принципе, может вызвать
следующее деление
На практике этого не происходит – нейтроны
могут вылететь за
пределы активного
объёма или могут
быть поглощены
неделящимися
материалами

61.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
Основы работы ядерных реакторов
Цепная реакция может принять одну из трёх
форм, в зависимости от среднего количества
нейтронов, образующихся при каждом акте
деления, которые эффективны для
распространения цепной реакции (kэфф.)
1. Если kэфф. > 1, то скорость делений
увеличивается спонтанно, пока не будет снижена
вследствие потерь (принцип действия атомной
бомбы). Из-за очень коротких промежутков
между актами деления (менее 0,01 мкс) энергия
выделяется в виде взрыва.

62.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
Основы работы ядерных реакторов
Цепная реакция может принять одну из трёх
форм, в зависимости от среднего количества
нейтронов, образующихся при каждом акте
деления, которые эффективны для
распространения цепной реакции (kэфф.)
2. Если kэфф. < 1, то реакцию можно начать с
помощью внешних нейтронов, но более или
менее быстро реакция затухает.
3. Если kэфф. = 1, то реакция продолжается с
постоянной скоростью (критичность, условие
работы атомного реактора).

63.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
Основы работы ядерных реакторов
Для того чтобы цепная реакция развивалась
нормально, необходимо учесть ряд условий:
массу делящегося материала; геометрию
активной зоны; энергетический спектр
нейтронов; физическое расположение
делящегося материала и замедлителя;
присутствие поглотителей нейтронов.
Большая часть нейтронов, образующихся при
делении ядер, вылетает более или менее
мгновенно, но некоторые (чуть менее 1 %)
вылетают с задержкой от нескольких сек до мин.

64.

Применение редких элементов. Сегодня.
Классификация ядерных реакторов
Основы работы ядерных реакторов
Конструктор обычно обеспечивает условие, что
реактор не может достичь критичности без
вклада запаздывающих нейтронов.
Эта задержка замедляет отклик реактора на
небольшие возмущения kэфф. и даёт возможность
и время для применения и срабатывания
контрольных механизмов и устройств.
Система управления и защиты (СУЗ) реактора
включает в себя: подсистему оперативного
регулирования, подсистему аварийной защиты и
подсистему предупредительной защиты.

65.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Принцип работы энергетического реактора

66.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Основные типы энергетических реакторов
ВВЭР,
PWR
BWR
Magnox
CANDU
РБМК
Тепловая мощность (МВт)
3400
3600
1875
2650
3200
Электрическая мощность
(МВт)
1150
1200
600
870
1000
Тип топлива
UO2
UO2
U
UO2
UO2
Теплоноситель
H2O
H2O
CO2
D2O
H2O
Замедлитель
H2O
H2O
графит
D2O
графит
90
140
600
80
205
Температура теплоносителя
на входе, оС
290
270
250
250
265
Температура теплоносителя
на выходе, оС
325
285
400
290
290
Масса топлива (т U)

67.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Реакторы типа ВВЭР (PWR) и BWR были
разработаны на основе реакторов для ядерных
подводных лодок.
Реакторы типа Magnox (AGR) и CANDU
(использующие уран естественного изотопного
состава) были разработаны, когда Великобритания
и Канада не осуществляли разделение изотопов
урана в промышленном масштабе.
Реактор РБМК был разработан на основе
конструкции реакторов, использовавшихся для
наработки плутония.

68.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Схема устройства реактора типа ВВЭР или PWR
1 – выход пара,
2 – конденсат,
3 – управляющие стержни,
4 – корпус,
5 – парогенератор,
6 – горячая вода,
7 – охлаждённая вода,
8 – топливо

69.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Схема устройства реактора типа BWR
1 – вход теплоносителя,
2 – выход теплоносителя,
3 – корпус,
4 – сушка пара,
5 – управляющие стержни,
6 – топливо
7 – парогенератор,
8 – бассейн обслуживания

70.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Схема устройства реактора Magnox
1 – парогенератор,
2 – выход пара,
3 – конденсат,
4 – горячий углекислый газ,
5 – охлаждённый углекислый газ,
6 – управляющие стержни,
7 – графитовый замедлитель,
8 – металлическое топливо
9 – бетонная защита,
10 – стальной корпус

71.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Схема устройства реактора AGR
1 – парогенератор,
2 – выход пара на турбогенератор,
3 – конденсат,
4 – горячий углекислый газ,
5 – теплоноситель (углекислый газ),
6 – управляющие стержни,
7 – графитовый замедлитель,
8 –топливо,
9 – бетонный корпус

72.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Схема устройства реактора CANDU
1 – управляющие стержни,
2 – корпус, заполненный
замедлителем (тяжёлой водой),
3 – трубки подачи теплоносителя,
4 – каналы в корпусе,
5 – трубка теплоносителя,
6 – газовое пространство,
7 – ТВС (37 трубок из циркониевого
сплава с таблетками диоксида урана)

73.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Схема устройства реактора РБМК

74.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Основные типы энергетических реакторов
ВВЭР,
PWR
BWR
Magnox
CANDU
РБМК
Тепловая мощность (МВт)
3400
3600
1875
2650
3200
Электрическая мощность
(МВт)
1150
1200
600
870
1000
Тип топлива
UO2
UO2
U
UO2
UO2
Теплоноситель
H2O
H2O
CO2
D2O
H2O
Замедлитель
H2O
H2O
графит
D2O
графит
90
140
600
80
205
Температура теплоносителя
на входе, оС
290
270
250
250
265
Температура теплоносителя
на выходе, оС
325
285
400
290
290
Масса топлива (т U)

75.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Реакторы на быстрых нейтронах
Преимуществом реактора на быстрых нейтронах
является возможность вовлечения в энергетику
U238 – основного изотопа в природном уране.
Реактор на быстрых нейтронах позволяет
нарабатывать плутоний-239 – ценное топливо
для тех же ядерных реакторах.
На 100 разделившихся ядер U235 или Pu239
образуется 120−140 новых ядер плутония-239.

76.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Реакторы на быстрых нейтронах
Поскольку вероятность деления ядер быстрыми
нейтронами меньше, чем тепловыми, топливо
должно быть обогащенным в большей степени, чем
для тепловых реакторов.
Кроме того, отводить тепло с помощью воды здесь
нельзя (вода- замедлитель), так что приходится
использовать другие теплоносители: обычно это
жидкие металлы и сплавы.
Для извлечения плутония необходима переработка
облученного ядерного топлива (ОЯТ).

77.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Реакторы на быстрых нейтронах
Процессы получения
энергии деления и
производства
плутония в этих
реакторах
пространственно
разделены – новые
делящиеся изотопы
образуются в боковой
и торцевых зонах
воспроизводства, или бланкетах.
1 - ТВС
активной зоны
с малым
обогащением;
2 - ТВС
активной зоны
со средним
обогащением;
3 - ТВС
активной зоны
с большим
обогащением;
4 - ТВС
внутренней
зоны
воспроизводс
тва;
5 - ТВС
внешней зоны
воспроизводства.

78.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Реакторы на быстрых нейтронах. Сложности
Более сложная конструкция реакторов;
Термические и радиационные нагрузки гораздо
выше, чем в тепловых реакторах;
Использование натрия (химически активного и
пожароопасного металла, бурно реагирующего на
соприкосновение с воздухом и водой);
Более сложные процесс перегрузки ТВС;
Необходимость создания и внедрения технологий
переработки маловыдерженного ОЯТ.

79.

80.

Применение редких элементов.
Сегодня. Типы ядерных реакторов
Ведущие проекты реакторов «Поколения 4»
Реактор
Высокотемпературный реактор
(VHTR)
Спектр
Топливный Мощость,
нейтронов
цикл
МВТ-эл
Назначение
тепловой
открыт.
250
Электроэнергия, Водород,
Тепло
тепловой,
быстрый
открыт.,
замкн.
1500
Электроэнергия, Актиниды
Газоохлаждаемые реакторы на
быстрых нейтронах (GFR)
быстрый
замкн.
200-1200
Электроэнергия, Водород,
Актиниды
Реакторы на быстрых нейтронах со
свинцовым охлаждением (LFR)
быстрый
замкн.
50-150
300-600
1200
Электроэнергия, Водород,
Актиниды
Реакторы на быстрых нейтронах с
натриевым охлаждением (SFR).
быстрый
замкн.
300-1500
Электроэнергия, Актиниды
промежуточн.
замкн.
1000
Электроэнергия, Водород,
Актиниды
Водяной реактор со
сверхкритическими параметрами
(SCWR)
Реакторы на солевом расплаве
(MSR)

81. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Требования к конструкционным материалам
ядерных реакторов (ЯР)
Минимальное сечение захвата
Механическая надежность
Высокая теплопроводность
Коррозионная стойкость по отношению к
топливу, теплоносителю и продуктам деления
Механическая надежность обеспечивается прочностью и
пластичностью материала, сопротивлением ползучести,
виброустойчивостью, стабильностью размеров при
циклических режимах работы

82.

Физические свойства возможных конструкционных
материалов ЯР
Материал
з,
барн
200С,
г/см3
Теплопроводность,
ккал/см·С
Tпл,
0С
Предел
прочности,
МПа
Al (99.99)
0.215
2.70
0.503
658
55-110
Be
0.009
1.85
0.430
1283
290-320
Нержав.
сталь
2.70
7.75
0.055
1480
1510
250-580
Zr (99.9)
0.18
6.52
0.057
1852
180-210
Циркалой-2
0.19
6.55
0.04
1845
205-220
Nb
1.15
8.57
0.125
2469
240-330
Ta
21.3
16.6
0.13
3014
310-480
Mg
0.039
1.74
0.38
651
185-230
Циркалой 2 – сплав Zr-1.5%Sn + немного Fe, Cr, Ni

83. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Алюминий
Низкое сечение захвата
Высокая теплопроводность
Малая плотность
Используется в
транспортных
реакторах
Алюминий при 200-300 0С образует сплавы с
ураном
Уранплавления
от алюминия отделяют
Низкая температура
защитным слоем
В энергетических реакторах алюминий не используют

84. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Бериллий
Низкое сечение захвата
Малая плотность
Высокая теплопроводность
Высокие температуры плавления
Плохо совместим с водой и перегретым паром
Хрупкость
Токсичность
Считается перспективным материалом

85. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Магний
Сплав на основе магния является
материалом оболочки ТВЭЛов в реакторах
типа «Магнокс»
В реакторах, где теплоносителем является
вода, магний не используют из-за низкой
коррозионной стойкости
Механические свойства магния
ухудшаются с ростом температуры

86. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Нержавеющая сталь
Дешева
Высокая температура плавления
Высокая прочность и пластичность
Хорошая обрабатываемость
Высокая коррозионная стойкость
Необходимо
использовать
более
обогащенное
топливо
Относительно
высокое сечение
захвата
Основной
конструкционный
материал
ЯР
Относительно
низкая
теплопроводность
Материал
оболочек
в некоторых
ЯР на т.н.
Высокое радиационное
Материал
оболочек ЯР нараспухание
б.н.

87. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Цирконий и его сплавы
Низкое сечение захвата
Высокая температура плавления
ВысокаяЦирконий
прочность и
– пластичность
металл № 1 для
Хорошая обрабатываемость
конструкции ядерного реактора
Высокая коррозионная стойкость
Сохраняет механические свойства при облучении
Относительно низкая теплопроводность
Высокая стоимость

88. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Циркониевые сплавы в атомной энергетике
В реакторе ВВЭР-1000 общее число деталей
превышает 540 тыс. шт.
На 1 реактор
необходимо
более 14изтонн
Активная
зона ВВЭР-1000
набирается
151
ТВС, в каждой из которых
по 317 ТВЭЛов
циркония
Оболочка ТВЭЛов ВВЭР-1000 выполнена из
сплава Н1 диаметром 9.1 мм толщиной 0.65 мм
Из сплава Н1 изготовлены пробки-заглушки, а
из Н2.5 - канальные трубы, кожухи кассет,
прутки и трубки крепления ТВС

89. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Коррозионные свойства циркония
Несмотря на высокую реакционную
способность, цирконий исключительно
коррозионностойкий металл, благодаря
образованию на его поверхности тонкой
пленки очень стойкого оксида циркония,
надежно предохраняющего его от
окисления и разрушения
Цирконий практически не разрушается в
холодных и горячих (до 100 0С) минеральных кислотах, щелочах, аммиаке и др.

90. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Механические свойства циркония
Чистый иодидно-рафинированный
цирконий обладает высокой пластичностью
и малой прочностью
Цирконий способен к быстрому
упрочнению под влиянием малых
пластических деформаций и малых
количеств примесей
Примеси, особенно внедрения, резко
ухудшают пластичность циркония

91. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Легирование циркония
Наличие малых
количеств к легированию
Требования
таких
примесей, какэлемент
азот,
1.
Легирующий
должен иметь низкое
Цирконий реагирует с
сечение
захвата
углерод,
алюминий
и тепловых нейтронов
перегретой
водой и водяным
2.
Легирующий
элемент
должен
Легирующий
элемент
- обеспечивать
ниобий
кремний,
увеличивает
0C)
паром
(> 300активной
коррозионную
стойкость
деталей
скорость коррозии циркония
зоны на весь срок эксплуатации
3. Легирующий элемент должен обеспечивать
Для
работы
твэльных
трубок
механическую
надежность
при
всех
Сплав
Н1 св качестве
Сплав
Н2.5(срок
с
эксплуатации
– 3 года)
и содержанием
канальных
труб
(срок
возможных
режимах
работы
реактора
содержанием
НИОБИЯ
НИОБИЯ
эксплуатации
– 30 лет)
введение
4. Легирующий
ненеобходимо
должен
образовывать
1 мас. % элемент
2.5 мас.
%
долгоживущих
радионуклидов
легирующих элементов

92. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Легирование циркония
Материал
Zr
Сплав Н1 Сплав Н2.5
Предел
180-270 320-380
400-480
прочности,МПа
Предел
50-130 180-250
280-350
текучести, МПа
Относительное
35-50
28-40
22-25
удлинение, %

93. Применение редких элементов. Сегодня. Конструкционные материалы ЯР

Оболочки
Небольшая
Коррозионная ТВЭЛов
плотность
Контейнеры
стойкость
для установок
облучения
Высокая
температура
плавления
Высокая
Трубопроводы
прочность
систем
Низкое
охлаждения
Конструкционные
материалы
атомных реакторов
Слабое
взаимодействие
с U, UO2, Pu
сечение
захвата
тепловых
нейтронов
Высокая
Хорошая
устойчивость в
обрабаты- расплавах натрия
ваемость

94. Структура уран-плутониевого ядерного топливного цикла

Россия
Украина
Узбекистан
Казахстан
УРАНОВЫЙ
РУДНИК
Россия
Казахстан
Узбекистан
Украина
Хв остохранилищ
УРАНОВЫЙ
ЗАВОД
U3O8
Россия
АФФИНАЖ УРАНА
ЦИРКОНИЕВЫЙ
КОНЦЕНТРАТ
ПОЛУЧЕНИЕ
ПОРОШКА Zr
Электроэнергия народному хозяйств у
UF4
Россия
ПОЛУЧЕНИЕ
ГЕКСАФТОРИДА
УРАНА
UF6
UF6
отв ал
ОБОГАЩЕНИЕ
ПО U-235
порошок
ПРОИЗВОДСТВО
Zr
ПРОИЗВОДСТВО
МЕТАЛЛИЧЕСКОГО Zr КОМПЛЕКТУЮЩИХ
ДЛЯ ТВЭЛ и ТВС
Zr
UO2
ПРОИЗВОДСТВО
ТОПЛИВНЫХ
ТАБЛЕТОК
ИЗГОТОВЛЕНИЕ
ТВЭЛов И ТВС
Обедненный уран
Комплекс по изготов лению смешанного
уран-плутониев ого топлив а и ТВС
ТВЭЛ
ТВС
АЭС
UО2
ПОЛУЧЕНИЕ
Россия
Россия
ТВС после регенерации
Отв ержденные
отходы
Временное
хранилище АЭС
Радиохимический зав од
по переработке
Отработав шее топлив о
реакторов
плутоний
Отв ерждение отходов
и промежуточное хранение
Россия
Промежуточное
хранилище
Централизов анный могильник в
геологических формациях
Транспортиров ание
топлив а РБМК и дефектных ТВС
Транспортиров ание отходов
Централизов анный могильник в
геологических формациях
Отв ержд.
отходы
зав ода

95. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Литий
Использование лития в ядерных
реакторах основано на отличии
изотопов в поперечном сечении
захвата тепловых нейтронов:
для Li6 - 910 барн,
для Li7 - 0.033 барн
• Жидкий Li7 используют как теплоноситель для ЯР
• 7LiOH·H2O применяют в качестве
подщелачивающей добавки в теплоноситель I
контура реакторов PWR

96. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Литий
• Дейтерид лития-6 6LiD (или 6Li2H) используется
как термоядерное топливо.
Li 01n 13 H 24He 4.8МэВ
2
3
4
1
H
H
He
1
1
2
0 n 17.6 МэВ
6
3
• Термоядерная бомба состоит из двух ступеней:
триггера и контейнера с термоядерным горючим.
• Триггер - плутониевый ядерный заряд,
обеспечивающий условия для разжигания
термоядерной реакции: высокую температуру и
давление.

97. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Литий
• Внутри контейнера из
урана-238, покрытого
слоями нейтронных
поглотителей и отражателей
находится термоядерное
горючее - дейтерид лития-6
и стержень из Pu-239,
играющий роль запала
термоядерной реакции.

98. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Литий

99. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Бериллий
• Бериллий - замедлитель и отражатель нейтронов.
• Бериллий – основа
нейтронных источников
пуска атомных реакторов:
9Be + 4He 12C + 1n
(источник α-частицы 239Pu)
9Be
+ 8Be+ 1n
(источник γ-излучение
226Ra)

100. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Редкоземельные металлы
Оксиды самария, европия и гадолиния
используют в красках, защищающих от
радиации
Оксиды эрбия и гадолиния используют в
качестве выгорающего поглотителя нейтронов в
ТВЭЛах
Sm, Eu и Gd имеют
Титанатмаксимальное
диспрозия, Dy2сечение
O3·TiO2 (наряду
с
Реактор
захвата
Er2O3
карбидом
бора)
является
материалом
0.2-0.6
мас. основным
%
РБМК
для органов управления ЯЭУ
Реактор
Gd2O3
3-8 мас. %
ВВЭР

101. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Гафний
• Металлический гафний может использоваться в
качестве поглотительного элемента (ПЭЛ) ЯР
(регулирующие стержни).

102. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Молибден - технеций
• Доминирующим радионуклидом для целей ядерной
медицины является 99mTc (T½- 6 часов),
являющийся продуктом распада Mo-99.
• Широкое применение 99mTc обусловлено
совокупностью ядерно-физических и химических
свойств - малый период полураспада, отсутствие
корпускулярного излучения, оптимальная для
сканирования энергия фотонного излучения
• На площадке ГНЦ НИИАР развивается производство
других медицинских изотопов:131I, 188W, 89Sr, 177Lu.

103. Применение редких элементов. Сегодня. Ядерная техника

Изотопы редких элементов
• Цезий-137 и
рубидий-86
используются в
γ-дефектоскопии,
измерительной
технике и для
радиационной
стерилизации.

104.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Основой современной полупроводниковой
промышленности наряду с кремнием составляют
рассеянные редкие элементы (Ga, In, Ge)
• Арсенид галлия является вторым по значению
после кремния полупроводниковым материалом
• Германий используется в твердотельной
электронике для изготовления ответственных
элементов микропроцессорных систем p-типа
• Индий и галлий и служат акцепторной добавкой
при изготовлении кремниевых и германиевых
полупроводников

105.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника

106.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Развитие электроники также связано с
нарастающим потреблением тугоплавких РМ:
Ta – незаменим
в производстве
конденсаторов,
Nb используется в
производстве
сверхпроводников,
W – лучший материал для
нитей и спиралей в лампах
накаливания.

107. Замена одной из секций большого адронного коллаидера со сверхпроводящими магнитными катушками на основе Nb3Sn

108.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Соединения лития широко применяют для
производства химических источников тока и
аккумуляторов

109.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
В никель-металлгидридных аккумуляторах
анодом служит материал на основе
интерметаллида LaNi5

110.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
• Наиболее эффективными фотоэлектрическими
преобразователями (КПД – до 25 %) являются
теллурид кадмия (CdTe) и селенид меди-индиягаллия (CIGS).

111.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
• Различные соединения на основе галлия (индия,
селена) являются основой светодиодной
промышленности.

112.

Материалы различных светодиодов
Цвет
Длина волны
(нм)
Материал полупроводника
Инфракрасный
λ > 760
Арсенид галлия (GaAs)
Алюминия галлия арсенид (AlGaAs)
Красный
610 < λ < 760
Алюминия-галлия арсенид (AlGaAs)
Галлия арсенид-фосфид (GaAsP)
Оранжевый
590 < λ < 610
Алюминия-галлия-индия фосфид
(AlGaInP).
Жёлтый
570 < λ < 590
Галлия(III) фосфид (GaP)
Зелёный
500 < λ < 570
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Алюминия-галлия фосфид (AlGaP)
Голубой
450 < λ < 500
Селенид цинка (ZnSe)
Фиолетовый 400 < λ < 450
Индия-галлия нитрид (InGaN)
Ультраλ < 400
фиолетовый
Нитрид алюминия-галлия (AlGaN)
Нитрид алюминия-галлия-индия
(AlGaInN)

113.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Люминофоры на основе европия, тербия и иттрия
используются в экранах ЭЛТ, ЖК и плазменных
мониторов, телефонов и мобильных устройств

114.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Компактные энергосберегающие
лампы позволяют использовать
небольшое количество
электричества, которое
тратится на активацию
фосфоров, содержащих
РЗМ (Y, Tb, Eu, Dy).
В свою очередь, люминофоры
испускают видимый свет
различного спектра.

115. Применение редких элементов. Сегодня. Электроника

Люминофоры – твёрдые и жидкие
вещества, способные люминесцировать
под действием различного рода
воздействий
Существует более 100 люминофоров,
содержащих РЗЭ
Люминофоры для
Люминофоры
для
Оксосульфиды,
телевизоров, мониторов,
люминесцентных
ламп
оксохлориды, фториды
осциллографы,
РЗЭ
радиолокаторы
ванадат иттрия
YVO3
Y0.64Yb0.35Tm0.01F3 – голубой цвет

116.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Соединения эрбия (иттербия, тулия) используются
в качестве допирующей добавки, которая повышает
производительность волоконно-оптического кабеля
для передачи данных на очень высоких скоростях

117.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Ниобат (танталат) лития обладает свойствами
пьезо-, сегнетоэлектрика и высокими нелинейнооптическими характеристиками в комбинации с
хорошими механическими свойствами и химической
стабильностью.
Ниобат лития применяется
в сотовых телефонах в
качестве поверхностноакустических фильтров,
а также в лазерной технике
и оптоэлектронике как
модулятор сигналов.

118.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Редкоземельные металлы (Nd, Y, Er, Ho, Yb, Tm, Sc)
и типичные рассеянные элементы (Ga, In, As)
являются основной рабочей средой соответственно
твердотельных и полупроводниковых лазеров.

119.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника
Магнитные материалы
SmCo5-Sm2Co17
Nd2Fe14B (Nd↔Dy,Tb)
Cтартеры
Создание
автомобилей,
миниатюрных
двигатели
двигателей,
стеклоочистителей
динамиков, СВЧ- и
стеклоподъемников
генераторов
Военная
и
Ветроавиакосмическая
генераторы
техника
проигрыватели
компакт и DVD-дисков,
дисководы, наушники
видеокамеры,
микрофоны и др.

120.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника

121.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника.

122.

Применение редких элементов.
Сегодня. Электроника.

123.

Применение
редких
элементов
и РЗМ.
Сегодня.
Электроника

124.

Применение редких элементов.
Сегодня. Ферросплавы
Ферросплавы (феррованадий, феррониобий,
ферроцирконий, ферромолибден, ферровольфрам)
применяются для легирования сталей
Сплавы Fe-РЗМ используют как раскислители при
выплавке сталей и сплавов
Для получения
ферросплавов
используют оксиды
редких металлов
технической
степени чистоты

125. Наибольший объем потребления РМ связан с производством сплавов

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Наибольший объем потребления РМ связан с
производством сплавов
Сплавы с РМ широко используются в авиа и
ракетостроении. Сплав «склерон» Al-Li
конструкционный материал для авиации.
Более половины производимого бериллия идет
на производство сплавов для авиа и
ракетостроения типа АВ («локалой») и АМB
(Al-Mg-Be)
Введение скандия (0.1-0.5 %) в алюминиевые
сплавы придает им повышенную прочность

126. Космический корабль многоразового использования «Endeavour» на старте и фронтовой истребитель МИГ-29 в полете

127. Наибольший объем потребления РМ связан с производством сплавов

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Наибольший объем потребления РМ связан с
производством сплавов
Никель-кобальтовые сплавы, легированные
тугоплавкими РМ (V, Nb, W, Mo, Zr, Hf, Re)
обладают уникальной жаропрочностью,
жаростойкостью, коррозионной устойчивостью при
температурах до 1400 0С (cуперсплавы).
Сплавы молибдена с тугоплавкими металлами (Re,
Zr, Ti) имеют высокую твердость и пластичность при
температурах 2000–3000 0С, что позволяет
использовать их в ракетно-космической технике.

128. Турбовентиляторный двигатель GE90 115B для самолета Boeing 777

129. Для производства титановых сплавов, востребованных как конструкционный материал в авиастроении, используют лигатуры V-Al и

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Для производства титановых сплавов,
востребованных как конструкционный материал в
авиастроении, используют лигатуры V-Al и Mo-Al

130. Наибольший объем потребления РМ связан с производством сплавов

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Наибольший объем потребления РМ связан с
производством сплавов
Высокопрочные низколегированные стали (HSLA),
легированные ванадием, ниобием, цирконием,
молибденом и РЗМ, используют как легкий
конструкционный материал в автомобилестроении.
Добавки РЗМ к различным сплавам алюминия и
магния увеличивают их прочность, в том числе при
высоких температурах. Сплавы на основе Al (Al-Si)
с присадкой до 0.35 % церия применяются для
изготовления ответственных деталей двигателей.

131. Двигатель внутреннего сгорания Ferrari f430

132. Наибольший объем потребления РМ связан с производством сплавов

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Наибольший объем потребления РМ связан с
производством сплавов
Благодаря высокой плотности вольфрам является
основой тяжёлых сплавов, которые используются
для противовесов, бронебойных сердечников
подкалиберных и стреловидных оперенных
снарядов артиллерийских орудий, сердечников
бронебойных пуль.
Повышение свойств броневых и орудийных сталей
связано с легированием их редкими элементами –
молибденом, ванадием, цирконием.

133. Бронирование БТР легкой сталью 5-го класса прочности (А3), содержащей Mo (0.3-0.5 мас. %) и V (0.15-0.25 мас. %)

134.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Индивидуальные тугоплавкие редкие металлы и
сплавы на их основе применяют как
конструкционный материал в химическом
машиностроении.
Вольфрам и молибден применяются в
высокотемпературных вакуумных печах
сопротивления в качестве нагревательных
элементов.
Электроды на основе вольфрама используют в
аппаратах для аргонно-дуговой сварки металлов,
сталей и сплавов.

135.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Катоды на основе гафния применяют для
высокотемпературной резки металлов.
Термопары на основе сплавов рения с вольфрамом
(W+5%Re)-(W+20%Rе) позволяют измерять
температуры до 2600 0С.
Сплавы Ga-Al, Ga-Ni, Ga-Cu используются для
бесфлюсовой низкотемпературной пайки металлов.
Особолегкоплавкие припои на основе индия
применяются для соединений металлов и
керамики.

136.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Наиболее применяемыми сплавами системы Cu-Be
являются сплав БрБ2 (содержит около 2 %
бериллия), а также сплавы МНБ (медь-никельбериллий) и МКБ (медь-кобальт-бериллий),
содержащие до 0,8 % бериллия.
Сплав БрБ2 также называют высоколегированной
бериллиевой бронзой, а сплавы МНБ и МКБ –
низколегированной бериллиевой бронзой.
Перечисленные сплавы в закаленном состоянии
обладают хорошей пластичностью и
технологичностью, а в термообработанном
(состаренном) состоянии - также высокими
механическими свойствами.

137.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Полуфабрикат из бериллиевой бронзы в закаленном
состоянии методами штамповки можно превратить в
изделие самой сложной формы (подшипниковую
опору, пружинный контакт, разъем,мембрану),
а затем проведя
старение, резко
повысить прочность
и пружинные
свойства изделия,
сохранив его
форму.

138.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Медно-бериллиевые сплавы используются в
ответственных электрических и электронных
деталях (в пружинных контактах, переключателях,
соединителях).
Из сплава БрБ2 изготовляют скользящие опоры
нефтяных насосов, опоры буровых долот, трубы,
резьбовые соединения бурильных труб,
безискровой вспомогательный инструмент.
В контактной сварке применяют электроды и
электрододержатели из низколегированной
бериллиевой бронзы.

139.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Твёрдые сплавы – твёрдые и
износостойкие металлические
материалы, способные
сохранять эти свойства
при 900-1150 °C.
Их изготовляют из
высокотвёрдых и тугоплавких
материалов на основе карбидов
(нитридов) вольфрама и
тантала, связанных кобальтовой
металлической связкой.

140.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Твёрдые сплавы применяются в следующих областях:
Обработка резанием конструкционных материалов:
резцы, фрезы, свёрла, и т.д.
Оснащение измерительного инструмента:
оснащение точных поверхностей
микрометрического оборудования и опор весов.
Клеймение: оснащение рабочей части клейм.
Волочение: оснащение рабочей части волок.
Штамповка: оснащение штампов и
матриц(вырубных, выдавливания и проч.).

141.

Применение редких элементов.
Сегодня. Производство сплавов
Твёрдые сплавы применяются в следующих областях:
Прокатка: твёрдосплавные валки
Производство износостойких подшипников:
шарики, ролики, обоймы и напыление на сталь.
Горнодобывающее оборудование: напайка
спеченных и наплавка литых твёрдых сплавов.
Рудообрабатывающее оборудование: оснащение
рабочих поверхностей.
Газотермическое напыление износостойких
покрытий.

142.

Применение редких элементов.
Сегодня. Катализаторы
В автомобильном катализаторе происходит
одновременное превращение CO, CHx и NOx в
углекислый газ (СО2), воду (Н2О) и азот (N2), в
связи с этим он называется трехмаршрутным.
Трехмаршрутный катализатор представляет собой
керамический блок ячеистой структуры, на
внутреннюю поверхность которого нанесено
покрытие (толщина 30-100 мкм), включающее
платиновые металлы (Pt, Pd, Rh), основой которого
является смесь Al2O3 и оксида церия-циркония
(CexZr1-xO2).

143.

Применение редких элементов.
Сегодня. Катализаторы
Катализаторы на базе V2O5
используются при
производстве серной
кислоты и ряда
органических соединений
(ацетальдегид, уксусная
кислота, бензальдегид, получение углеводородов
из синтез-газа).
Катализаторы на основе сульфида рения замещают
платиновые катализаторы в процессах
гидрирования, алкилирования, изомеризации и т.п.

144.

Применение редких элементов.
Сегодня. Катализаторы
Катализаторы на основе диоксида германия
применяют в качестве катализатора полимеризации
в производстве полиэфирных материалов,
например, полиэтилентерефталата

145.

Применение редких элементов.
Сегодня. Катализаторы
Платиново-рениевые биметаллические
катализаторы (металл, нанесенный на различные
носители – оксиды алюминия, кремния, цеолиты и
др.с добавками) используют для получения
высокооктановых сортов
бензина из низкосортных
методом риформинга –
каталитической
ароматизации (повышения
содержания ароматических
углеводородов)

146.

Применение редких элементов.
Сегодня. Катализаторы
Добавки оксидов редких земель (до 4 мас. %)
позволяют повысить выход высокооктановых
бензинов и увеличить время работы катализаторов
в процессе каталитического крекинга –
получения компонента
высокооктанового бензина
и непредельных
углеводородов путем
разложения полученной
при перегноке нефти
парафиновой фракции

147.

Применение редких элементов.
Сегодня. ИК-техника
Монокристаллы
твердых растворов
TlBr-TlI (КРС-5) и
TlBr-TlCl (КРС-6)
используют в
качестве материалов
в ИК-оптике – они
обладают высокой
равномерной
прозрачностью при 1-100 мкм, сохраняя
устойчивость во влажной атмосфере.

148.

Применение редких элементов.
Сегодня. ИК-техника
Высокая прозрачность в инфракрасной области
делает элементарный германия необходимым
материалом для ИК-оптики (линз, призм,
оптических окон датчиков).
Такие устройства
используются в системах
пассивного тепловидения,
военных системах
инфракрасного наведения,
приборах ночного видения,
противопожарных системах.

149.

Применение редких элементов.
Сегодня. ИК - техника
Халькогенидные стекла на основе элементов
VI группы (сера S, селен Se, теллур Te),
называемых халькогенидами и представляющие
собой сплавы с элементами V (мышьяк As,
сурьма Sb) или IV (кремний Si, германий Ge)
групп, прозрачны в ИК-области спектра и
обладают полупроводниковой проводимостью
электронного типа.
Они также входят в состав композиционных
материалов для инфракрасной волоконной
оптики

150.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Сочетание высокой теплопроводности и небольшой
коэффициент термического расширения позволяют
использовать оксид бериллия в качестве
термостойкого материала, обладающего
значительной химической инертностью.
Полирующие материалы на основе оксидов РЗЭ
(полириты) обеспечивают высокое качество
обрабатываемых поверхностей при большей
скорости полирования и меньшем расходе по
сравнению с другими веществами для полировки

151. Применение редких элементов. Сегодня. Стекло и керамика

Цирконий
Цирконий – единственный редкий металл,
потребление которого исчисляется сотнями
тысяч тонн
Более 85 % производимого циркониевого
сырья используется в минеральной форме в
виде циркона или бадделита (ZrO2):
литейное производство (противопригарные смеси)
производство огнеупоров (в т.ч. бакоров) – 15 %
производство эмалей и глазурей – 49 %
производство абразивов – 19 %

152. Применение редких элементов. Сегодня. Стекло и керамика

Цирконий
От 10 до 15 % концентратов перерабатывается с
целью получения:
оксида циркония (7-10 %), стабилизированного
Y2O3
Высокотемпературная конструкционная керамика.
Получение керамик, упрочнение поверхностей
Обладает ионной проводимостью при температуре
лопаток турбин, создание конструкционных
300°С.
материалов
Характеризуется высокой радиационной стойкостью,
повышенной прочностью, износостойкостью

153.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Редкие металлы используются как ионные
красители стекла – в стекло вводят катионы
переходных и редкоземельных элементов
(3d- и 4f-элементы),
которые имеют
неспаренные
электроны или
незаполненные
орбитали (V3+,4+;
Ce3+,4+; Nd3+, Pr3+,
Se и т.д.).

154.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Для устранения естественной
окраски стекол, связанной с
присутствием ионов Fe3+
проводят их обесцвечивание –
вводят строго контролируемые
количества добавок красителей
(соединения кобальта, никеля,
РЗМ), которые окрашивают
стекло в цвет, дополняющий
спектр поглощения железа
до нейтрального.

155.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Кроны характеризуются сравнительно низким
показателем преломления (от 1,47 до 1,67) и
высоким коэффициентом дисперсии (от 47 до 100).
Флинты отличаются высокими значениями
показателя преломления
(от 1,52 до 1,9) в
сочетании с низкими
значениями
коэффициента
дисперсии (от 54 до 15).

156.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Cтекла системы ZnO–B2O3–La2O3 («кроны»)
отличаются высокой химической устойчивостью,
имеют высокие модули упругости и твердость.
Тяжелые баритовые флинты (марка стекла –
ТБФ) содержат до 15 мас. % La2O3, до 2 мас. %
Ta2O5 и до 6 мас. % WO3.
Увеличение концентрации щелочного оксида до
эквимолярного состава постепенно увеличивает
показатель преломления от 1,46 (для SiO2) до
~1,57 для SiO2·Li2О; до ~1,52 для SiO2·Na2О и до
~1,51 для SiO2·K2О.

157.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
В лабораторной практике рентгеноструктурных
исследований иногда используется стекло
Линдемана (содержит кроме B2O3 также Li2O, BeO,
Al2O3 и другие добавки), прозрачное для
рентгеновских лучей.
Фторидные стекла – это класс неоксидных
оптических стекол, образованных фторидами
щелочных металлов и бериллия (фторбериллатные
стекла) и соединениями на основе фторидов
тяжелых металлов (ZrF4, HfF4), служат исходным
материалом для производства световодов.

158.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
К специальному классу оксидных стекол относятся
германатные и теллуритные стекла.
По сравнению с кварцевым стеклом спектральная
область максимальной прозрачности GeO2 сдвинута
в сторону больших длин волн.
Волоконные световоды на основе теллуритных
стекол перспективны для широкодиапазонных
рамановских усилителей (теллуритные стекла с
оксидами молибдена и вольфрама (TeO2–WO3–La2O3,
TeO2–MoO3) имеют оптические потери в диапазоне
длин волн 1,3–2,4 мкм не более 0,1–0,2 дБ/м.

159.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Ситаллами называются стеклокристаллические
материалы, полученные объемной кристаллизацией
стекол и состоящие из одной или нескольких
кристаллических фаз, равномерно распределенных в
стекловидной фазе.
Оптически прозрачные термостойкие и химическистойкие ситаллы на основе стекол системы
Li2O–Al2O3–SiO2 (сподумено-эвкриптитовые
составы), в которых инициатором кристаллизации
является TiO2, применяются для изготовления
деталей, требующих прочности и термостойкости .

160.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Прозрачная нанокерамика – материалы,
получаемые на базе нанопорошковых
керамических материалов.
Нанопорошки изготавливают из оксидов Al2O3
(лукалокс), Y2O3 (иттралокс) и их производных
Y3Al5O12 и YAlO3, а также на базе оксидов MgO,
BeO и Lu2O3.
На базе нанопорошковой технологии получают
прозрачные керамические материалы, например,
для изготовления линз, сцинтилляторов, матриц
квантовых генераторов и др.

161.

Применение редких элементов.
Сегодня. Стекло и керамика
Звезды сделаны из селенового
рубина - стекла, содержащего
селен
Керамика на основе
диоксида циркония
используется для
производства зубных
коронок, имплантов и
т.д.

162.

Редкие элементы. Завтра
Для большинства редких металлов в первые
десятилетия ХХI века прогнозируются высокие
темпы роста их потребления, опережающие
в 3 – 5 раз соответствующие показатели для
многих цветных и черных металлов

163. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Производство РЗЭ и их соединений
За 2015 год общемировое производство РЗЭ в
рудном сырье составило 180 тыс. т. (по TR2O3,
без учета Российской Федерации)
США
Китай
Остальные производители:
Начиная
с(2.7
2004
по
РЗЭ в США
Индия90-х
тыс.
т) 20 год,
Начало
ХХ
в. 2012
тыс.добыча
т
30 тыс. т
была
прекращена
Бразилия, Малайзия, Шри-Ланка (<0.6 тыс.т)
2003 г.
5 тыс. т
88 тыс. т
На в
базе
импортного 162
сырья
существуют
В 2015
КНР произведено
тыс. т. рудного
производства
сырья
(по TR2O3) по получению высокочистых
Чистые
соединений в Японии, Австралии, Австрии,
10.9 тыс. т концентратов
оксиды
и Великобритании
Канаде,
и Франции
или смесей оксидов
РЗМ

164. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Производство РЗЭ и их соединений
С 2002 г. часть
В 2015 году в России добывалось
околоплава
4
До 500 т/год
тыс. т. редких земель на перерабатывается
Ловозерском ГОКе на
(в пересчете на TR2O3)
Silmet Group (Силумяэ,
плава перерабатывется
Эстония) на чистые
на ЧМЗ на полирующие
галогениды и металлы
порошки
После обогащения лопаритовый концентрат
перерабатывается на ОАО «Соликамский
магниевый
Это 72 завод»
% от уровня 1991 г.
Продукты передела – плав хлоридов РЗМ и
смесь карбонатов РЗЭ цериевой группы

165. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Альянс ОАО «СМЗ» – «Silmet Group» до 2010
года являлся основным, не зависящим от Китая,
поставщиком готовой продукции.
Суммарный объем поставок альянса СМЗ – Silmet
в 2007 г. составил 3,2 тыс. т РЗЭ (в пересчете на
оксиды), и, оценочно, СМЗ поставил в США вне
альянса 2 тыс. т сырья.
В планах ОАО «СМЗ» - выпуск карбоната церия
(96-98 %) и производство лантанового (>90%) и
дидимового (>80 %) концентратов
В 2010 г. интерес к покупке ОАО «СМЗ»
проявило ОАО «Атомредметзолото», ГК Росатом

166. Технология редких элементов. Вопросы экономики

В 2011 г. Американская компания Molycorp
приобрела 89 % акций Silmet Group
В 2012 г. компания Molycorp провела
расконсервацию крупнейшего в США
месторождения бастнезита Маунтин-Пасс
В 2012 г. Автралийская корпорация Lynas
начала эксплуатацию монацитового
месторождения Маунт Уелд, а в 2013 г. в
Малайзии был запущен завод по переработке
монацита и разделению РЗЭ
В АО «Акрон» в 2012 г. начат выпуск
концентрата РЗМ из апатитового сырья

167. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление РЗЭ
эрбия
Оксиды
Общее потребление
РЗЭ в 2015 году по
и гадолиния
оценкам
составило 160-170 тыс. т в год (в
пересчете на TR2O3)
Катализаторы
Основные
потребители
–в США,
Китай,
Уровень
потребления
РЗЭ
России
не
для
крекинга
страны
превышает 3
тыс. т ЕC, Япония
нефти
СТРУКТУРА
ПОТРЕБЛЕНИЯ
РЗЭ
Редкометальная
продукция
импортируется
США – производство катализаторов (32 %)
Япония – электроника
%)уровня 1991 г.
Это 23(70
% от
Китай – металлургия (67 %)
Россия – нефтехимия (30 %)

168. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на продукцию, содержащую РЗЭ(2008)
Бастнезитовый концентрат – 4.1 $/кг
Монацитовый концентрат – 0.7 $/кг
Мишметалл – 5.5-7.0 $/кг
Сплав неодим-железо-бор – 18-20 $/кг
Оксид церия (96 %) – 19 $/кг
Оксид церия (99.5 %) – 30 $/кг
Оксид лантана (99.9 %) – 23 $/кг
Оксид европия (99.9 %) – 1600 $/кг
Неодим (металл) (99.0 %) – 56 $/кг
Тербий (металл) (99.0 %) – 620 $ / кг

169. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на продукцию, содержащую РЗЭ
В 2010 году в рамках нового 5-летнего Плана,
Дефицит поставок
редкоземельного
сырья
Правительство
Китая разработало
и приступило
к из
Китая способствовал
активизации
реализации
новой концепции
развития отрасли РЗЭ в
Китае,
предусматривающую:
деятельности
по формированию новых
• ликвидацию всех мелких предприятий и предприятий занимающихся несанкционированной
Все
перечисленные
меры
привели
к дефициту
добычей,
с уменьшением
числа в
предприятий
до 10, с минимальной
мощностьюРЗЭ
одногоза
источников
РЗЭ
мире.
предприятия по переработке РЗЭ 8 тыс.т РЗО в год и с контрольным пакетом акций,
пределамигосударству;
Китая и к стремительному многократному
принадлежащих
На данный
момент
работы
по
модернизации
• соблюдение
выданных
квот на добычу
и переработку,
устанавливаемых
Правительством;
росту
цен
на них.
• ежегодное значительное уменьшение экспортных квот с целью полного прекращения
законсервированных
ведут Molycorp
экспорта
РЗЭ
2015 году; с 2006 г. рудников
Цены
завпериод
по 2010 г. выросли
в 49
• полный запрет толлинговых операций и иностранных инвестиций в предприятия по добыче и
раз,
в течение
1(Австралия),
полугодия
2011
года ограничений
-Western
еще в на
2.7
переработке
сырья
при одновременном
отсутствии
каких-либо
иностранные
(США),
Lynas
Great
инвестиции в производство продуктов с высокой добавленной стоимостью;
раза
спостоянно
тенденцией
стабильности
и Rare
даже возможного
• введение
повышающейся
платы за
получение
экспортных
лицензий для
Minerals
Group
(ЮАР),
Avalon
Metals
продуктов низкой стадии переработки создав «ножницы цен» между ценой экспорта и ценой
падения
в обеспечения
связи совысокой
спадом
спроса
на рынке.
внутри
Китая для
доходности
инвестиций
в высокотехнологичные
(Канада) и др.
продукты;
обеспечение высокой рентабельности отрасли для создания источника покрытия
необходимых затрат на развитие, экологию и соблюдение требований в части технологии и
безопасности производства.

170. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на продукцию, содержащую РЗЭ(2009-2011)

171. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на продукцию, содержащую РЗЭ(2012-2013)

172. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на продукцию, содержащую РЗЭ(2005-2014)

173. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Производство циркония и гафния
Мировое производство концентратов циркония
Большая
часть
бадделеита
(до 5 тыс.т)
составляет
около
1.16
млн. т (2009).
экспортируется
в Норвегию
и Японию
Основные
производители
– Австралия
(476 тыс.т),
ЮАР (392 тыс.т), Китай (180 тыс.т) (2009)
Около
30 тыс.т/год
ZrO2) цирконового
Около
12 тыс.т.(по
цирконового
концентрата
концентрата
производится
Вольногорским
ГМК при
На
их
долю приходится
более
90 % мирового
рынка
импортируется
из Украины
разработке Малышевского
россыпного месторождения
циркона
на Украине
Около 7 тыс.т/год бадделеитового концентрата
производится на Ковдорском ГОКе (Мурманская обл.)

174. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление циркония и гафния
В 2003 году мировое потребление концентратов
циркония составило 1.1 млн. т (по ZrO2)
Основные потребители:
Страны ЕС (Италия, Испания, Германия) – 370 тыс.т
Китай – 160 тыс.т
США – 130 тыс.т.
Япония – 120 тыс.т
Структура потребления:
Страны ЕС и Китай – строительная керамика
Япония – огнеупоры
США – литейные смеси

175. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление циркония и гафния
В 2000 году потребление цирконового концентрата
в России составляло 12 тыс. т, а бадделеитового –
500 т (по ZrO2)
Основные потребители:
•1.Кроме
того, цирконовый
концентрат
безГлазов)
всякой
Чепецкий
механический
завод (г.
переработки используется заводами,
2. металлопродукция
из циркониевых
сплавов (слитки,
трубы,
Щербинский
завод
ЭПО
(Московская
обл.)
керамическую
плитку сырье
и санитарно выпускающими
Потребность России
в циркониевом
лист, пруток и др.) для объектов атомной энергетики, а также
3.строительные
ферросплавный
завод
(Свердловская
изделия
(потребление
циркона
в 2этом
кКлючевской
2020 году
оценивают
в 80-100
тыс.т
(по
ZrO
), что
различные
потребительские
товары
из
высокочистых
секторе
выпускает
т.ч. бакоры)
обл., составило
г. электроплавильные
Двуреченск)
в 2015 годуогнеупоры
9.2
тыс. т (в
концентрата)
соответствует
используемому
в
СССР
циркониевых
соединений
потребление – 4-5 тыс. т в год
• завод
Сохраняется
его около
использование
и
использует
1,5–2 тыс.машиностроительными
т цирконового концентрата
выпускает
ферроцирконий
металлургическими
заводами
в литейном
производстве
год (при производственной
мощности
3 тыс.
т)
в
потребление
– 1-1.5 тыс.
т в год

176. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление циркония и гафния
Мировое потребление гафния (металл,
соединения)
составляет
около 65
т/год (2015)
В настоящее
время в России
существует
государственная
Масштабы производства
гафния
опережают
программа
по организации
объемы
его потребления
производства
металлического гафния на
Области потребления
– производство
АО ЧМЗ (г.
Глазов)
суперсплавов и ПЭЛ для транспортных реакторов
В США
производство
гафния составляет
200т/год)
т/год
В начале
90-х производство
гафния (~15
было организовано (2010)
на Преднепровском
химическом заводе (Украина) – ГНПП «Цирконий»

177. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на цирконий- и гафнийсодержащую
продукцию (2008)
Цирконовый концентрат – 0.80-0.90 $/кг
Бадделеитовый концентрат – 2.5-3.3 $/кг
ZrO2 (для огнеупоров) – 3.0-3.5 $/кг
ZrO2 (для керамики) – 4.1-4.9 $/кг
ZrO2-3 мол.%Y2O3 - 26.5-30.4 $/кг
Цирконий (99 %, губка) – 41-56 $/кг
Цирконий (99.6, порошок) – 310-390 $/кг
Цирконий (99.97, компактный) – 950-980 $/кг
Гафний (99 %, губка) – 380-400 $/кг

178. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Производство тория и его соединений
Потребность мировой экономики в тории и
его соединениях очень мала (в основном, изза его радиоактивности)
Резкое уменьшение производства тория
произошло в 80-е гг ХХ в.
По данным Горного Бюро США в 2011 г было
добыто около 6.6 тыс. т (по ThO2) монацита,
причем в Индии было добыто 5200 т.
Остальные производители – Бразилия,
Китай, Малайзия, Вьетнам.
Россия, США и Франция для производства
тория используют сделанные ранее запасы

179. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление тория и его соединений
Общее потребление тория в мире (по
ThO2, за исключением Индии и России)
составило менее 1200 кг (2011)
Основной потребитель тория - Индия
Основные области потребления тория –
атомная энергетика (Индия), военное
авиастроение и производство сварных
электродов
До 100 кг ThO2 в год используется в
исследовательских целях

180. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на торий и его соединения
(2012)
ThO2 (98 %) – 68 $/кг
ThO2 (99.9 %) – 250 $/кг
Th(NO3)4∙4H2O (99 %) – 27 $/ кг
Монацитовый концентрат –
0.5-2.6 $/кг ThO2

181. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Производство урана и его соединений
В 2014 г. производство урана составило 55975 т (по
металлу), что, например, на 27 % больше, чем в 2008 г.
Добыча урана ведется в 22 странах мира
Крупнейшие производители рудного сырья –
Казахстан (41 %), Канада (16 %) и Австралия (16%)
В России в 2014 г. было добыто 2991 т урана (АО «ППГХО»,
АО «Далур», АО «Хиагда» - ОАО «АРМЗ»).
Uranium One Inc. (дочернее предприятие ГК «Росатом»)
ведет добычу урана в Казахстане, Австралии, Танзании.

182. Технология редких элементов. Вопросы экономики

183. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление урана
Доля ядерной энергетики должна удвоиться к середине XXl
в., и к 2035 г. достигнет 488 ГВт (эл.).
Один реактор типа ВВЭР мощностью 1 ГВт (эл.) потребляет
около 11,35 тыс. т урана (в виде U3O8) в течение
ожидаемого 60-летнего срока его службы, и, таким
образом, для реализации 488 ГВт (эл.) мощности в течение
срока эксплуатации понадобится приблизительно
5,45 млн. т урана, т.е. все запасы месторождений урана,
обнаруженных к настоящему времени

184. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление урана
К концу следующего десятилетия можно ожидать
появления быстро увеличивающейся потребности в уране.
В долгосрочной перспективе мировой спрос на уран
возрастёт также в связи с объявлением больших ядерных
программ в Китае, России и Индии.
Спрос в Восточной и Юго-Восточной Европе к 2030 г. по
прогнозам удвоится.
Начиная с 90-х годов XX века, обеспечение потребности в
уране в заметной степени происходит за счёт
использования накопленных ранее складских запасов.

185. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Потребление урана
Прогноз в отношении уже добытого урана предполагает
рециклирование плутония с производством смешанного
оксидного (МОКС) топлива, а также рециклирование урана и
использование определённого количества излишков оружейного
плутония в качестве МОКС-топлива в США и России в текущее
десятилетие.
Полученный из высокообогащённого низкообогащённый уран из
России обеспечивал существенные поставки топлива в США.
После 2013 г. российский низкообогащённый уран, полученный
из высокообогащённого не доступен даже гражданскому сектору
в Российской Федерации

186. Технология редких элементов. Вопросы экономики

187. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на урановые продукты
В феврале 2007 г. цена уранового концентрата превысила
180 дол./кг U3O8, а в июне 2007 г. был зафиксирован
рекордный уровень цен на уран – 299,55 дол./кг U3O8.
Рост цены на уран привёл к значительному расширению
изыскательской деятельности.
Ценовое повышение подтвердило существование
потенциальных производителей урана, которые выйдут на
рынок при росте спроса на поставку в наступающие годы.

188. Технология редких элементов. Вопросы экономики

Цены на урановые продукты
В начале второго десятилетия текущего века
рыночная цена урана колебалась на отметке 90130 дол./кг.
В 2011 г. был отмечен
рост цен до 160 дол./кг,
но после аварии на
АЭС Фукусима-1 цена
на уран упала на 20 %.

189. Технология редких элементов. Вопросы экономики

190.

Сырье для производства редких
металлов
Типы сырья
минералы РМ
минералы других элементов
вторичные источники сырья
ионные руды

191.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Сподумен LiAl[Si2O6]
алюмосиликат лития
.
Лепидолит
KLi2Al[Si4O10](F,OH)2
алюмосиликат из группы
литиевых слюд

192.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Поллуцит – водный
алюмосиликат цезия:
(Cs,Na)[AlSi2O6].nH2O

193.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
В процессе
выветривания
горных пород и
минералов
литий, рубидий
и цезий
вымываются и
попадают в
соляные
рассолы и
отложения.

194.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Берилл 3BeO.Al2O3.6SiO2 –
алюмосиликат бериллия.

195.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Лопарит
Монацит (Ln,Th)PO4
(Ln,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O6
фосфат РЗЭ и Th
титанат-ниобат РЗЭ, Na,
Ca
Минералы - комплексные

196.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Бастнезит
Ln(CO3)F
фторкарбонат РЗЭ
Иттросинхизит
Ln(CO3)F∙CaCO3
фторкарбонат РЗЭ и Ca

197.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
уранинит U3O8
гуммит UO3∙xH2O
настуран UO2+х

198.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Тюямунит
Карнотит
Ca(UO2)2(VO4)2·6H2O ванадат
K2(UO2)2(VO4)2·3H2O
уранила и кальция
ванадат уранила и калия
Минералы - комплексные

199.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Циркон ZrSiO4
ортосиликат циркония
Бадделеит ZrO2оксид
циркония

200.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Колумбиттанталит – ниобаттанталат железа и
марганца:
(Fe,Mn)[(Nb,TaO3)2]
Танталит-колумбит,
представляет собой
изоморфный ряд
метаниобатовметатанталатов

201.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Молибденит
.
MoS2

202.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Шеелит
.
CaWO4

203.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы редких металлов
Вольфрамит
.
(Fe,Mn)WO4

204.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Карналлит (Li, Rb,
Cs) – KCl∙MgCl2∙6H2O .
Сушка
Обезвоживание
Электролитическое
получение
магния
Магний
Отработанный электролит

205.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Апатит (РЗЭ) –
Сa5(PO4)3F
Сульфатизация
Фильтрация
Промывка
Фосфогипс
Экстракционная
фосфорная кислота

206.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Бокситы (Ga) –
горная порода,
состоящая в
основном из
гидратов глинозёма
(Al2O3), окcидов
железа с примесью
других минеральных
компонентов (SiO2,
TiO2, CaO, MgO, P2O5
и др.)

207.

Автоклавное
выщелачивание раствором
NaOH (способ Байера)
Бокситы (Ga)
«Красный шлам» (Fe2O3,
TiO2, алюмосиликаты)
Обороты
Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Затравка
Разбавление пульпы
Глинозем
(на электролиз)
Получение Al(OH)3, 500C
Сгущение Al(OH)3 Выпарка
Прока- Маточный р-р (на выделение
ливание
Ga и получение соды)

208.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Титаномагнетиты (V) –
Fe3O4∙TiO2
Агломерация (произв-во окатышей)
Выплавка чугуна
(восстановление коксом)
Получение стали конвертерным
методом (продувка воздуха или
кислорода через металл-оксидный
расплав)
Сталь
Конвертерный шлак

209.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Сфалерит (In,Cu,Cd,Pb) – ZnS
Обжиг
(получение ZnO)
Выщелачивание
H2SO4
Цементационная очистка
ZnSO4 (пылью Zn)
Индийсодержащий
кек (Zn,Pb,Сu)
Цинковый
Меднопродукт (на
кадмиевый
электролиз
продукт (на
и переплав) извлечение Cd
Вельцевание (восстановление
коксом при 1250-13500С во
вращающейся печи – вельц-печи)

210.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Сфалерит (In,Cu,Cd,Pb) – ZnS
Вельцевание (восстановление
коксом при 1250-13500С во
вращающейся печи – вельц-печи)
Огарок - медистый
клинкер,3-4 % Cu (на
медные предприятия)
Вельц-окись (ZnO, PbO, CdO, In2O3)
Нейтральное
выщелачивание (pH=4)
Индиевый раствор
Свинцовый кек
(на свинцовые
предприятия)
Кислотное
ГидратноЦинквыщелачивание
свинцовый кадмиевый
(20-50 г/л по
кек (Me(OH)n, раствор (в
H2SO4)
PbSO4, ZnS, др.) оборот)

211.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Медные концентраты (Tl, Se, Te):
• Халькопирит CuFeS2
(10-45 %);
• Халькозин Cu2S
(15-20 %);
• Пирит FeS2 (5-50 %);
• Прочие сульфидные
минералы (галенит
PbS, сфалерит ZnS);
• Пустая порода (кварц
SiO2, известняк СaCO3,
гематит Fe2O3).

212.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Медные концентраты (Tl, Se, Te)
Плавка на медный штейн при 1100-14000С
(штейн - плав сульфидов цветных металлов и железа)
Химизм: 2CuFeS2 = Cu2S+2FeS+0.5S2↑
FeS2 = FeS+0.5S2↑
CaCO3 = CaO+CO2↑
2Fe2O3 + 7FeS = 11FeO +SO2↑
3Fe3O4 + Cu2S = Cu2O + 9FeO + SO2↑
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO
Cu2O + ZnS = Cu2S + ZnO
Cu2O + PbS = Cu2S + PbO

213.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Медные концентраты (Tl, Se, Te)
Плавка на медный штейн
Результат процесса:
• оксиды меди сульфидируются неокисленными сульфидами
металлов, имеющих меньшее сродство к сере (Fe, Zn, Pb);
• образующиеся оксиды металлов (Fe, Ca, Mg, Zn)
взаимодействуют с кремнеземом с образованием силикатов,
формируя шлак;
• вся медь концентрируется в штейновом расплаве;
• в штейн переходит 70-85% Se, 45-65% Te;
• основная масса таллия (70-80%) возгоняется вместе с серой

214.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Медные концентраты (Tl, Se, Te)
Плавка на медный штейн
Шлак (в отвал или
на грануляцию)
Возгоны на
выделение
таллия
Штейн (20-42% Cu, 25-43% Fe,
24-26 %S, Se, Te)
Конвертирование (окисление и отшлаковывание содержащихся
в штейне серы и железа в ходе продувки штейнового расплава
воздухом в присутствии кремнезема (1 стадия) и получение
черновой меди из белого штейна при бесфлюсовой продувке
расплава (2 стадия)

215.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Медные концентраты (Tl, Se, Te)
Конвертирование
Химизм 1 стадии: 2FeS+3O2 = 2FeO+ 2SO2↑
2Cu2S+3O2 = 2Cu2O +2SO2↑
Cu2O+FeS = FeO + Cu2S
2FeS+3O2+SiO2 = Fe2SiO4 + 2SO2↑
Химизм 2 стадии: 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2↑
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2↑
Поведение селена и теллура: Большая часть Se и Te
переходит в черновую медь

216.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Медные концентраты (Tl, Se, Te)
Конвертирование
Черновая медь
Шлаки (в отвал)
Электролитическое рафинирование
Очищенная медь
Анодные шламы,
содержащие селен и теллур
(выход Se и Te – 30-40 %)

217.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Растворы после СПВ урана (Sc, Ln)
ЗАО «Далур» —Курганская обл., Далматовский район, ОАО «Хиагда»
с. Уксянское
Распределение ,
%
Республика Бурятия, Баунтовский р-н, с.
Багдарин
Содержание целевых
компонентов:
Содержание целевых
компонентов:
•РЗЭ – 30 мг/л
•РЗЭ – 60 мг/л
•Sc – 0.8 мг/л
•Sc – 0.5 мг/л
ЛРЗМ*
ТРЗМ
70
30
Распределение,
%
ЛРЗМ
ТРЗМ
70
30
ТРЗМ — тяжелые РЗМ (Европий, Гадолиний, Тербий, Диспрозий, Гольмий, Эрбий, Тулий, Иттербий, Лютеций, Иттрий)
ЛРЗМ — легкие РЗМ (Лантан, Церий, Празеодим, Неодим, Самарий)

218.

Сырье для производства редких
металлов. Минералы других элементов
Германийсодержащие бурые угли (Ge)
Павловское
буроугольное
месторождение
(300÷1000 г Ge/т)
Сжигание угля
(ООО «Германий
и приложения»,
ГК Роснано),
Приморский край
Германиевый
концентрат (0.2
-2.5 % Ge)
Тепловая
энергия

219.

Сырье для производства редких
металлов. Вторичные источники РМ
все РМ – отходы производства РМ
(брак, стружка, обрезь и др.)
U, Pu – переработка ОЯТ
Та – отработанные конденсаторы
Nb – сверхпроводники
Mo, W – металлический лом (стали,
сплавы) и сплавы химической отрасли
Re – отработанные катализаторы

220.

Сырье для производства редких
металлов. Вторичные источники РМ
Электронные отходы

221.

Сырье для производства редких
металлов. Вторичные источники РМ
Системы сбора электронных отходов

222.

Сырье для производства редких
металлов. Вторичные источники РМ
Переработка электронных отходов
Компонент
Жесткий диск
Динамики
CD-ROM
Вентилятор
Жесткий диск
Всего
Ноутбук
Неодим, мг
1120,90
626,35
911,65
2,4
1144,05
4431,70
Потенциал
переработки б/у
ноутбуков и
компьютеров в
Европе – до 500 т Nd
в год
Компьютер
Неодим, мг
3498,55
1378,70
998,64
8,22
4,71
5897,05

223. Сырье для производства редких металлов. Ионные руды

Ионные руды
Поверхностные
слои- лантнидсодержащего
«Ионные
руды»
уникальный
тип руд,
Ионные
руды
разрабатываются
открытыми
гранита
под действием
субтропического
встречающийся
только
в Китае и
методами,
полученный
концентрат
климата претерпевали сильную эрозию
образовавшийся
в
результате
В этих условиях
РЗЭ
обрабатывется
1ионы
М HNO
,
в
результате чего
3
уникальных
геоклиматических
условий
переходили
в водную
фазу и
получают
раствор,
пригодный
для экстракции
мигрировали вниз
Находящиеся в нижних слоях каолиновые
глинистые почвы сорбировали ионы Ln
В результате получился естественный
концентрат РЗЭ (содержание Ln2O3 – 90-95%)

224.

Сырье для производства редких металлов.
Ситуация в Российской Федерации
Общая ситуация с сырьем РМ в
России
Эндогенный характер месторождений
Богатейшие запасы в неосвоенных
районах
Комплексный характер руд

225.

Сырье для производства редких металлов.
Ситуация в Российской Федерации
Оптимальная стратегия : восстановление и
развитие уже существующих ГОКов
Ловозерский ГОК (Nb, Ta, РЗМ)
Забайкальский ГОК (Li, Rb, Cs, Be, Ta, Nb)
Ковдорский ГОК (Zr, Hf)
Малышевское рудоуправление (Be, Li)
ППГХО (U)
ДАЛУР, Хиагда (U)
Качканарский ГОК (V)
Ермаковский ГОК (Be)
Горно-обогатительные предприятия цветной
металлургии

226.

Сырье для производства редких металлов.
Ситуация в Российской Федерации
Развитие новых месторождений –
Этыкинское (Li, Be, Nb, Ta), Катугинское
(Nb, Ta), Туганское (Zr), Лукояновское
(Zr), Чинейское (Fe, V, Ti), Томторское (Ln,
Sc, Nb, Ta), Бугдаинское (Mo).
Переработка техногенных отходов –
монацитовый концентрат (Ln, Th),
фосфогипс (Ln), красные шламы (Ln),
шлаки оловянных заводов (Nb, Ta).

227.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности производства редких металлов
Высокая стоимость редких металлов как в чистом виде,
так и в сырье
Относительно низкое содержание в сырье
Комплексный характер сырья
Высокие требования к чистоте конечной продукции
Сложность технологии выделения из сырья,
исключительная многостадийность производственных
процессов и применение специальных методов
современной техники

228.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности производства редких металлов
Относительно малый масштаб производства редких
металлов
Сравнительно быстрое изменение требований со стороны
потребителей к качеству и количеству продукции, что
связано с быстрым развитием инновационных областей
техники и технологий
Отсутствие, как правило, устоявшейся технологии
производства редких металлов, как в интегральном
подходе, так и с учетом особенностей извлечения
конкретного элемента

229.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Основные вопросы проектирования
1. Размещение предприятия
2. Производственная технологическая схема и ее
аппаратурное оформление
3. Состав вспомогательного и обслуживающего
хозяйства предприятия
4. Затраты средств и материальных ресурсов в ходе
строительства и эксплуатации предприятия
5. Источники сырья, материалов и энергетических
ресурсов для обеспечения работы предприятия
6. Транспортные связи предприятия
7. Обеспечение предприятия кадрами

230.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Требования к проектированию
1. Количество и качество выпускаемой продукции
2. Наименьшие капитальные затраты в ходе
строительства и высокая фондоотдача в ходе его
последующей эксплуатации
3. Наиболее низкая себестоимость готовой продукции
4. Высокая производительность труда
5. Обеспечение для трудящихся предприятия
удовлетворительных условий труда
6. Исключение загрязнения окружающей территории,
водоемов и воздушного бассейна отвалами,
стоками, газовыми или пылевыми выбросами

231.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности проектирования производства редких
металлов
Высокая стоимость оригинального технологического
оборудования для ряда ответственных переделов
(особенно завершающих), что увеличивает требования к
правильности решений технологической части
проектирования производства в большей степени, чем
для традиционных химических и металлургических
технологий
Высокая стоимость сырья и полуфабрикатов, что
обуславливает необходимость сокращения потерь в
производстве редких металлов

232.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности проектирования производства редких
металлов
Повышение или изменение требований к качеству
выпускаемой
продукции,
что приводитрешениях
к тому, что нельзя
в ходе
Положения
о гибкости
в проектных
проектирования,
строительства
и эксплуатации
применять
догматически
– формальная
погоня за
необходимо вносить
изменения
первоначальные
обеспечением
гибкости
можетвувеличить
стоимость
проектные решения
– возможность
усовершенствования
строительства
и эксплуатации
производства,
затраты
аппаратурно-технологических
схем
при минимуме затрат
на выпуск единицы
продукции
Рост потребностей в редкометальной продукции
обуславливает необходимость принятия проектных
решений, позволяющих с наименьшими затратами
наращивать мощности предприятий

233.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности проектирования производства редких
металлов
Вследствие быстрого развития технологии одновременно
с проектированием производства приходится
разрабатывать большое количество конструкций
основного технологического оборудования
Малые масштабы производства редких металлов
зачастую не позволяют использовать оборудование,
применяемое для аналогичных процессов в цветной
металлургии и химической промышленности

234.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности проектирования производства редких
металлов
Необходимость защиты персонала от воздействия вредных
веществ, участвующих в процессе производства (в том
числе обуславливающих радиационные нагрузки)
Обезвреживание всех выбросов предприятия в атмосферу,
канализационных стоков и твердых отвалов с целью
защиты населения и растительности близлежащих районов
Специальная защита оборудования, сооружений и
строительных конструкций от разрушения под действием
агрессивной атмосферы и жидкостей

235.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Особенности проектирования производства редких
металлов
Обеспечение условий, предотвращающих загрязнение
перерабатываемых продуктов
Обеспечение условий для выполнения персоналом
ответственных операций по обслуживанию
технологического процесса (создание особых комфортных
условий)
Характерное для производства редких металлов особо
сложное оборудования (в том числе и КИПиА) требует для
своей эксплуатации строгих условий (температура,
влажность, загрязненность и запыленность воздуха)

236.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Основные переделы производства редких металлов
Обогащение руд с получением рудного концентрата,
состоящего, в основном, из минерала ценного компонента
Вскрытие сырья и выделение первичного химического
концентрата извлекаемого элемента (элементов)
Получение чистого соединения редкого металла, включая
его очистку (аффинаж)
Получение редкого металла и полуфабрикатов на его
основе (лигатуры и сплавы)
Рафинирование редкого металла, включая получение
металла в компактном виде

237.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
При выборе технологической схемы передела
необходимо учитывать:
1. Степень извлечения основного компонента
2. Возможность комплексной переработки
концентрата
3. Безотходность (минимум отходов)
4. Экологичность
5. Использование недефицитных реагентов
6. Энергоемкость
7. Простоту аппаратурного оформления
8. Численность обслуживающего персонала

238.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Для подготовки технологической части проекта
наибольшее значение имеют технологические
исходные данные для проектирования, включая:
1. Требования к качеству продукции
2. Характеристика исходного сырья
3. Технологическая схема процесса
4. Материальный баланс процесса производства
5. Тепловой баланс производства и отдельных стадий
6. Нормы расхода основных и вспомогательных
материалов и энергетических ресурсов
7. Характеристики основного оборудования

239.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Задачи, решаемые при разработке аппаратурнотехнологической схемы:
1. Определение набора технологических процессов,
необходимых для получения товарного продукта
требуемого качества из заданного сырья
2. Определение комплекса мер по утилизации и
обезвреживанию всех видов отходов производства
3. Разработку принципов аппаратурного оформления
всех технологических операций
4. Организацию транспорта всех перерабатываемых и
производимых в технологии материалов
5. Вопросы контроля и управления процессами

240.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Рациональное использование отходов
Максимальный возврат отходов в производство – одна из
важнейших задач, решаемых при разработке
аппаратурно-технологической схемы по получению
редкометальной продукции
Все отходы содержат ценные компоненты, поэтому
возвращение отходов в оборот позволяет снизить их
потери и уменьшить расход сырья
Отходы производств практически всегда содержат не
только целевой компонент, но и вредные для окружающей
среды вещества – необходима их утилизация

241.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Рациональное использование отходов
Для уменьшения объема сбросных растворов применяют
упаривание и сорбционные технологии, причем
очищенную воду возвращают в производство
Наиболее эффективное использование сбросных
растворов – это приготовление на их основе растворов и
пульп из сырья, а также растворов, вводимых в процесс
производства
В процессе циркуляции оборотов происходит накопление
примесей, поэтому на линии циркуляции целесообразно
предусмотреть операции очистки или деления потока

242.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Опасности и вредности в редкометальной
промышленности
1. Контакт двух веществ, реакция между которыми
протекает самопроизвольно с возрастанием
скорости, включая горение пирофорных металлов и
процессы восстановительной плавки
2. Утечка токсичных, горючих, взрывоопасных,
коррозионноактивных газов и паров
3. Коррозионное разрушение оборудования
4. Токсичность ряда редких металлов и их
соединений
5. Ионизационное излучение

243.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Опасности и вредности в редкометальной
промышленности
6. Переполнение емкостей с токсичными и
агрессивными жидкостями
7. Контакт персонала с нагретым оборудованием и
материалами
8. Повышение давления в аппаратуре и
коммуникациях выше номинального
9. Поражения электрическим током
10. Контакт с движущимися частями технологического
и транспортного оборудования, а также
обрабатываемых материалов

244.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Охрана труда. Группы решений по
предотвращению аварийных ситуаций
1. Изменение аппаратурно-технологических схем и их
аппаратурного оформления
2. Локализация и изоляция источников вредности и
опасности
3. Изменение планировки предприятия в целом
4. Размещение оборудования, архитектурностроительные и санитарно-технические решения
5. Организация производства и труда
6. Индивидуальная защита и внедрение
взаимострахующих мер по охране труда

245.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Охрана труда. Группы решений по
предотвращению аварийных ситуаций
7. Механизация и автоматизация производственных
процессов, внедрение дистанционного контроля
8. Использование специальных систем и
оборудования, необходимых для локализации и
ликвидации аварийной ситуации (специальное
противопожарное оборудование, системы
пожарного водоснабжения и пожаротушения, др.)
9. Разработка инструкций по технике безопасности
для последующей эксплуатации проектируемого
производства

246.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Изменение аппаратурно-технологических схем и
их аппаратурного оформления
1. Не использовать в процессе производства
токсичные, пожаро-, взрыво- и
коррозионноопасные материалы
2. Принимать для оборудования и коммуникаций
конструкции, обеспечивающие повышенную
надежность и безопасность эксплуатации
(введение предохранительных клапанов,
использование конструкционных материалов,
стойких в условиях производственного процесса и
др.)

247.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Изменение аппаратурно-технологических схем и
их аппаратурного оформления
3. Создавать аппаратурные схемы, исключающие
контакт взаимоопасных продуктов и переполнение
емкостей с опасными продуктами (устройство
переливных линий, создание буферных емкостей,
др.)
4. Создавать системы контроля и управления,
исключающие возникновение опасной ситуации на
производственных объектах или своевременно
сигнализирующие о возможности создания такой
ситуации

248.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Локализация и изоляция источников вредности и
опасности
1. Разделение помещений, предназначенных для
различных групп операций, капитальными стенами
2. Выделение в боксы с легкосъемной крышей
взрывоопасных установок
3. Вынесение отдельных взрывоопасных аппаратов из
помещения с установкой на открытых площадках
4. Создание ограждений вокруг емкостей с вредными
и опасными жидкостями, предупреждающие их
растекание по большой площади в случае
повреждения емкости

249.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Локализация и изоляция источников вредности и
опасности
5. Создание в помещениях с интенсивным
выделением вредных веществ зон пониженного
давления, что исключает распространение
вредностей за пределы соответствующего
помещения («принцип вытяжного шкафа»)
6. Наличие системы приточной вентиляции,
обеспечивающей поступление свежего воздуха и
разбавление до приемлемой концентрации
токсичных газов и исключающей контакт
взрывоопасных газов друг с другом

250.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Изменение планировки предприятия в целом
1. Расположение цехов с возможными вредными
выделениями в атмосферу с подветренной стороны
к ветрам господствующего направления по
отношению к другим цехам
2. Создание между предприятием и районами жилой
застройки санитарно-защитной зоны при
расположении предприятия с подветренной
стороны по отношению к жилой застройке
3. Расположение зданий и сооружений на
производственной площадке в соответствии с
противопожарными нормами

251.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Изменение планировки предприятия в целом
4. Расположение зданий и сооружений на
производственной площадке с учетом обеспечения
наилучших условий естественного проветривания
цехов и пространства между цехами, а также
естественного освещения цехов
5. Организация транспортных потоков на площадке
предприятия с максимальным уменьшением
протяженности пешеходных путей от проходной
предприятия до рабочих мест и минимизацией
пересечения на одном уровне пешеходных
дорожек и транспортных дорог/потоков

252.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Размещение оборудования,
архитектурно-строительные и санитарнотехнические решения
1. Создание необходимых гигиенических условий
согласно санитарным стандартам и нормам ТБ
2. Обеспечение безопасной работы персонала на всех
этапах проведения производственных процессов и
обслуживания оборудования
3. Обеспечение защиты персонала от
неблагоприятных воздействий и спасения людей (в
первую очередь эвакуации) при возникновении
неблагоприятной ситуации на предприятии

253.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Размещение оборудования должно обеспечить:
1. Условия для осуществления всех технологических
операций
2. Рациональный транспортный поток, при котором
максимально сокращаются все виды затрат
3. Оптимальные условия труда для производственного
персонала
4. Условия для проведения любых вспомогательных
операций, включая ремонтные
5. Условия для осуществления строительства
проектируемого объекта и монтажа оборудования

254.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Организация производства и труда
1. Организация рабочих мест (осуществляют при
размещении оборудования и архитектурнопланировочных решений)
2. Подбор и обучение персонала (в ходе
эксплуатации предприятия)
3. Режим труда и отдыха (при технологическом и
технико-экономическом проектировании)
4. Разработка правил ведения работ (при пуске
предприятия эксплуатационным персоналом)
5. Уход за оборудованием (в ходе эксплуатации с
учетом профилактики и осмотра)

255.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Индивидуальная защита и внедрение
взаимострахующих мер по охране труда
1. Специальная одежда, обеспечивающая защиту
персонала от неблагоприятных воздействий,
создания удобства для работы и предупреждения
загрязнения перерабатываемыми продуктами
2. Индивидуальные защитные средства – приборы и
приспособления для защиты органов дыхания,
зрения, конечностей (противогазы, очки, перчатки,
сапоги и др.)
3. Служба по хранению и уходу за специальной
одеждой и защитными средствами («санпропусник»)

256.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Индивидуальная защита и внедрение
взаимострахующих мер по охране труда
4. Режим питания и питья в производственных
помещениях
5. Личная гигиена (душ, устройства для мытья
потенциально загрязняемых частей тела)
6. Исключение местных источников перегрева и
потенциального искрообразования
7. Герметизация установок и удаление вредных
примесей через систему местных газо-/пылеотсосов
8. Наличие системы аварийной вентиляции

257.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Контроль и управление производственным процессом
Главное требование к системам КИПиА – необходимо не
только полно и точно информировать о ходе процесса, но
и позволять эффективно влиять на него
При разработке схемы аналитического контроля
необходимо, чтобы схемы и точки отбора проб обеспечили
соответствие результатов анализа данным о реальном
поведении системы/процесса
Качество продукции (чистота) – основной критерий
технологического процесса, повышение качества
позволяет расширить области применения
редкометальной продукции

258.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Экологические аспекты производства редких металлов
Методология создания и проектирования редкометальных
производств включает в себя экологическое обоснование
инвестируемых проектов
Экологическая экспертиза технологий производства
редких металлов − это оценка малоотходности
производства в сравнении с выработанными нормативами
или имеющимися лучшими образцами.
При этом определяется степень экономичности и
экологической опасности способа производства и
технологических переделов, выхода технологии в
окружающую среду и др.

259.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Методы экологической экспертизы
1. Метод материальных балансов и
технологических расчетов позволяет выявить
источники выбросов и сбросов, дать
количественную оценку техногенных потоков в
окружающую среду, выявить качественный
состав и агрегатное состояние загрязнителей
2. Метод регистрации экологических
последствий технологий производства
включает в себя анализ связей промышленной
технологии с окружающей средой

260.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Методы экологической экспертизы
3. Метод технологической альтернативы
предполагает анализ и оценку технологии по
отношению к существующим технологическим
аналогам производств с заданной
экологичностью.
4. Метод прогнозирования технологического
риска предусматривает системный анализ и
прогнозирование возможных аварийных
ситуаций, а также оценку технологического риска
и аварийности при нормальной эксплуатации

261.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Этапы экологической экспертизы
1. Формирование целей и задач экспертизы
2. Оценка источников и направления негативного
воздействия продукции на окружающую среду и
потребление природных ресурсов
3. Определение соответствия экологических
характеристик проектируемой продукции,
технологии, техники, действующим нормам и
правилам
4. Оценка полноты и эффективности мероприятий по
предупреждению возможных аварийных ситуаций и
ликвидации их возможных последствий

262.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Этапы экологической экспертизы
5. Оценка полноты, достоверности и научной
обоснованности прогнозов возможного влияния
новой продукции, техники и технологии на
состояние окружающей среды и использование
природных ресурсов
6. Оценка выбора средств и методов контроля
воздействия продукции на состояние окружающей
среды и использование природных ресурсов
7. Экологическая оценка способа утилизации или
ликвидации новой продукции после отработки
ресурса

263.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Итог экологической экспертизы
Выдача заключения ведомственной комиссией с
рекомендациями об экологической целесообразности
разработки внедрения данной продукции, либо
необходимости ее замены или дальнейшее
совершенствование технологии производства
Заключение экспертной комиссии утверждается приказом
министра природных ресурсов и приобретает статус
государственного документа государственной
экологической экспертизы (ГЭЭ), в котором также
определен срок действия решений

264.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Итог экологической экспертизы
Положительное заключение государственной
экологической экспертизы является одним из
обязательных условий финансирования и реализации
объекта ГЭЭ.
В случае отрицательного заключения ГЭЭ заказчик вправе
представить материалы на повторную ГЭЭ при условии их
переработки с учетом замечаний, изложенных в данном
отрицательном заключении.
Заключения ГЭЭ могут быть оспорены в судебном
порядке

265.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Оптимизация технологий редкометальной
промышленности
Создание полноценной инфраструктуры редкометальной
промышленности, включая пилотные, опытнопромышленные, промышленные предприятия,
инжиниринговые компании и центры отработки технологий
применения инновационных продуктов и технологий
Обеспечение локализации в Российской Федерации
инновационных производств по выпуску стратегической
редкометальной продукции, востребованной в обороннопромышленном комплексе и атомной отрасли

266.

Принципы построения и выбора аппаратурнотехнологических схем по получению
редкометальной продукции
Оптимизация технологий редкометальной
промышленности
Формирование эффективной системы поддержки спроса
на редкометальную продукцию в инновационных отраслях
промышленности
Обновление и развитие минерально-сырьевой базы
производства редких элементов
Создание новых рабочих мест в редкометальной отрасли
и подготовка высококвалифицированных кадров
Рост производительности труда за счет использования
передовых технологий и современного оборудования