Цветмет Украины: цирконий и гафний

Располагая необходимым сырьевым, производственным, технологическим и кадровым потенциалом, Украина все еще топчется на месте в создании собственного ядерно-топливного цикла. При этом, имеющиеся в стране запасы циркониевых песков позволяют обеспечить производство циркония и гафния на сотни лет.
Применение циркония и гафния в промышленности
Развитие циркониевой металлургии ускорилось после того, как цирконий стал основным компонентом конструкционных сплавов для атомной техники.
Но самым первым потребителем металлического циркония была черная металлургия, в которой он применяется как раскислитель, а также уменьшает содержание в стали газов и серы, присутствие которых делает ее менее пластичной.
Стали, легированные цирконием, не теряют необходимой вязкости в широком интервале температур, они хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Поэтому цирконий используется для легирования сталей (броневых), сплавов цветных металлов, которые широко применяются в ракето-, самолето- и автостроении.
В цветной металлургии добавки циркония повышают теплостойкость алюминиевых сплавов, а многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся более коррозионно-устойчивыми. Цирконий повышает стойкость титана к действию кислот. Коррозионная стойкость сплава титана с 14% Zr в 5%-ной соляной кислоте при 100°C в 70 раз (!) больше, чем у технически чистого титана. Иначе влияет цирконий на молибден. Добавка 5% циркония удваивает твердость этого тугоплавкого, но довольно мягкого металла.
Цирконий – важное сырье для изготовления огнеупоров. Цирконовые кирпичи потеснили шамот (широко распространенный огнеупорный материал на основе глины или каолина) при выплавке металлического алюминия, и вот почему. Шамот сплавляется с алюминием, и на его поверхности образуются наросты шлака, которые надо периодически счищать. А цирконовые кирпичи расплавленным алюминием не смачиваются. Это позволяет печам, футерованным цирконом, непрерывно работать в течение десяти месяцев. Значительные количества двуокиси циркония потребляют производства керамики, фарфора и стекла.
Кстати, несколько лет назад цирконовые огнеупоры были испытаны на МНЛЗ в зоне подачи расплавленного металл (дозаторы) в условиях Днепровского металлургического комбината им. Дзержинского. В сравнении с применяемыми традиционными огнеупорами цирконовые огнеупоры продемонстрировали свое превосходство.
Цирконий и гафний широко применяются в атомной промышленности. Цирконий пропускает нейтроны, не поглощая их, что делает его лучшим материалом для атомной промышленности (в этих целях используется сверхчистый цирконий). В ядерных реакторах разного назначения (АЭС, энергетические установки надводных кораблей, подводных лодок) применяются преимущественно сплавы циркония с оловом, железом, никелем и хромом.
Сегодня перед техникой встала проблема – полностью разделить цирконий и гафний. Если индивидуальные свойства обоих металлов весьма привлекательны, то их совместное присутствие делает материал абсолютно непригодным для атомной техники.
Гафний, являясь относительно молодым металлом, начал играть очень заметную роль в атомной энергетике США с 1953 г., как высокоэффективный поглощающий материал для транспортных реакторов подводных лодок, весьма стойкий к высокой мощности потока нейтронов, выделяющихся в процессе ядерной реакции деления обогащенного урана.
Гафний потребляется в военной промышленности, в производстве сплавов для авиакосмической отрасли, плазменных покрытий, наконечников для режущих инструментов, медицинских товаров и продуктов для специальных целей.
Гафний обладает свойством интенсивно поглощать нейтроны, поэтому применяется для борьбы с радиацией. Его сплавы в форме карбида используются в наиболее жаропрочных изделиях (температура плавления 3900 °С).
Отметим, что гафний производили ранее всего две ядерные державы мир – США и Франция. Украина стала третьей страной, что вызывает законную гордость технологов и ученых, добившихся этого.
Сырьевая и производственная база
Украина по запасам циркониевых песков занимает одно из ведущих мест в мире и первое среди стран СНГ.
Разведанные запасы циркона в Украине сосредоточены на действующем Малышевском месторождении в Вольногорске Днепропетровской области. Вольногорский ГМК, разрабатывающий это месторождение, может обеспечивать все потребности атомной энергетики, развивающейся на базе российских технологий, в цирконе, т.е. Украина имеет свой надежный источник цирконийсодержащего сырья.
Руда перерабатывается на Верхнеднепровском горно-металлургическом комбинате, производственные мощности которого по переработке составляют 30 тыс. т концентрата в год. Концентрат, который имеет в своем составе 65% циркония и 1,8% - гафния, перерабатывается на предприятии «Цирконий» (г. Днепродзержинск Днепропетровской обл.). Эти полупродукты отправляются в Россию для последующей переработки и обеспечения потребностей атомной промышленности РФ, готовые топливные сборки Украина покупает для своих атомных станций.
При создании производства ядерно-чистого циркония главным является наличие эффективной и экологически безопасной технологии переработки циркона с полным извлечением всех ценных компонентов, позволяющей получать конкурентную высококачественную продукцию, прокат циркония.
В 1968 г. в Днепродзержинске начало создаваться производство циркония на основе принципиально новой безотходной химической технологии, на базе современных высокоэффективных гидрометаллургических и металлургических процессов и оборудования. В 1985 г. были изготовлены первые тепловыделяющие сборки из украинского циркония, которые в течение 1986-1989 гг. успешно прошли опытно-промышленные испытания на действующих АЭС, что позволило получить решение Госатомнадзора на промышленное производство сплава циркония с 2,5% ниобия.
Однако Чернобыльская авария и последующие события остановили развитие циркониевого производства в Украине. Новый импульс развитию отрасли должны были дать принятые в 1994-95 гг. решения о создании отечественного ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) в Украине и новая редакция программы создания ЯТЦ от 2000 г.
Основным преимуществом украинской технологии получения циркония по сравнению с российской является снижение содержания гафния до 0,002-0,005% масс, т.е. в 10 раз, что позволяет, как показывают расчеты ученых и специалистов, повысить выгорание урана до 4%. Это означает существенную экономию топлива при тех же технико-экономических показателях производства электроэнергии на АЭС.
ГНПП «Цирконий», основанное в 1992 г., выпускает ядерно-чистые металлические цирконий и гафний, сплавы циркония с ниобием. Также предприятие производит лигатуры и сплавы на основе циркония и гафния с медью, никелем, алюминием, железом, а также химические соединения широкого спектра на основе циркония и гафния, такие как основной карбонат циркония, диоксиды циркония разных марок, оксинитрат циркония, оксихлорид циркония, ацетат циркония, тетрафторид циркония.
Сейчас ГНПП способно обеспечить 50% потребности АЭС в цирконии, реализация «Комплексной программы создания ядерно-топливного цикла в Украине» позволит расширить его мощности до 100% потребности АЭС в цирконии.
Только за 4 месяца 2010 г. «Цирконий» реализовало товарной продукции на сумму 4,8 млн. грн., тогда как за весь 2009 г – 8,5 млн. грн.
Кооперация и интеграция
В ближайшее столетие атомная энергетика станет преобладающей отраслью энергетического комплекса страны, а потребность в изделиях отечественного производства из циркониевых сплавов для АЭС Украины после 2000 г. составляет около 150 тонн/год.
Имея различные интересы в циркониевом производстве, Украина и Россия, тем не менее, обречены эксплуатировать ядерное топливо еще десятки лет, что создает объективные условия для равноправной интеграции производителей трех стран – России, Украины, а также Казахстана, где производятся урановые таблетки топлива.
Зарегистрированное в Украине украинско-казахско-российское СП по производству ядерного топлива способно выпускать: сплавы циркония с ниобием ядерной частоты; сплав циркония с 2,5% ниобия для производства циркониевого проката на реактор ВВЭР-440; металлический гафний ядерной чистоты 99,9%; стабилизированные, технические и особо чистые оксиды циркония; химические соединения циркония: хлорид, ацетат, нитрат, карбонат, сульфат, фторид; сплавы циркония с никелем, медью, железом, алюминием, гафнием.
К сожалению, сегодня практически вся циркониевая продукция идет на экспорт, так как Украина не имеет внутреннего рынка сбыта, кроме производства уксусной кислоты. Поэтому основой ее производства на ближайшие годы должно стать собственное потребление в ядерной энергетике, с попутным завоеванием экспортных рынков сбыта в России и в третьих странах, прежде всего Азии, совместно с российским АО «ТВЭЛ».
Окупаемость капвложений для создания мощностей по выпуску циркониевой продукции по расчетам может составить всего 2 года, что является весьма привлекательным инвестиционным проектом для такого профиля производства.
Эффективная и безопасная работа атомной энергетики, обеспечивающей производство до 50% электроэнергии, зависит полностью от качества импортируемого из России ядерного топлива, где за основу конструкционного материала активной зоны ядерных реакторов применяют сплавы циркония, доля которых в стоимости топлива не превышает 10%. Производство изделий из сложнолегированных сплавов циркония для нужд атомной энергетики в развитых странах мира (США, Великобритании, Франции, Швеции) обеспечивается немногочисленными специализированными транснациональными компаниями «Вестингауз», «Кожема», «Сэндвик». Другими словами, импорт ядерного топлива эти страны не допускали с момента создания ядерной энергетики. Такая же ситуация и в России.
Производство ядерного топлива на основе сплава циркония с ниобием для нужд АЭС России, Украины и других стран обеспечивает «ТВЭЛ» на базе единственного предприятия в Удмуртии (г. Глазов) по производству циркония. Ядерное топливо российского и западного производства базируется на разных сплавах циркония, что затрудняет их взаимозаменяемость и обуславливает монополизм одного или другого производителя.
Циркониевая стратегия развития по-украински
Государственной программой создания ядерно-топливного цикла в Украине предусмотрено освоение сплавов циркония с ниобием и производство циркониевого проката.
В 1997-2007 гг. Министерство топлива и энергетики предпринимало как минимум три попытки объединить воедино все государственные активы Украины, имеющие отношение к циклу.
Первой попыткой был провальный проект создания украино-российского СП «ТВЭЛ-Энергия».
Второй была долголетняя, (на протяжении 2003-2006 гг.) борьба различных политико-административных групп вокруг проекта создания концерна «Укратомэнергопром (УАЭП)».
Борьба завершилась к 2006 г. созданием концерна «Укратомпром» (УАП), который через год был ликвидирован Указом действующего на тот момент Президента Украины.
Совсем недавно на государственном уровне обсуждался проект о строительстве в г. Сумы (на промплощадке СНПО им. М.В.Фрунзе, входящего «Энергетический стандарт» Константина Григоришина) современного завода по промышленному производству металлического циркония, его сплавов и комплектующих тепловыделяющих сборок для реакторов украинских АЭС. Создание собственного производства циркониевых комплектующих усилило бы позиции Украины в переговорах по вопросам сотрудничества в отрасли ядерной энергетики.
Ориентировочная стоимость на тот период проекта строительства завода была на уровне 1 млрд. гривен (1 доллар США - 5,05 гривны), не менее 70% этой суммы должны были составить инвестиции.
На сегодняшний день частный бизнес по-прежнему сохраняет интерес к украинским атомным госактивам.
Мариупольский «Азовмаш» производит специальные железнодорожные контейнеры, а донецкое ОАО «НКМЗ» - контейнеры для хранения топлива.
В орбите влияния компании Ferrexpo Константина Жеваго находится ООО «Схід-Руда» при «Восточном ГОКе», добывающее ванадий и скандий. ЗАО «Приднепровский гидрометаллургический завод» и «Аммофос», образованные на руинах бывшего ПХЗ являются собственностью российского химического магната Константина Федорычева, а государственный Вольногорский горно-металлургический комбинат на много лет вперед арендован компаниями газового магната Дмитрия Фирташа.