Профессор Ирина Трошкина — о выдающейся роли рения в авиационно-космической промышленности, о вкладе российских ученых в рениевые исследования и об опасности этого металла.
Доктор технических наук Ирина Трошкина
Фото: Из личного архива
Доктор технических наук Ирина Трошкина
Фото: Из личного архива
Ирина Трошкина — профессор кафедры технологии редких элементов и наноматериалов на их основе, доктор технических наук. Соавтор монографий «Металлургия рения», 2007 и «Технология рения», 2015, а также соавтор и редактор коллективной монографии «Редкие элементы в ядерном топливном цикле», 2018. Член оргкомитета международных симпозиумов «Рений, исследование, технологии, промышленное применение» (Москва, 2013, 2016); 7-го, 8-го, 9-го, 10-го международных симпозиумов по технецию и рению (Москва, 2011, Порнише, Франция, 2013, Кронулла, Австралия, 2017, Карлсруэ, Германия, 2020. Сопредседатель — Москва, 2018).
— Современная цивилизация немыслима без скоростного передвижения как на Земле, так и в космическом пространстве. Создание сверхмощных, экономичных и экологически оправданных самолетов и ракет возможно только при использовании рения — металла с уникальными свойствами, сочетающими высокую температуру плавления и пластичность. Аэрокосмическая отрасль — единственный крупный потребитель рения, где он незаменимый компонент в составе тугоплавких суперсплавов, из которых изготавливаются детали, работающие в горячих зонах реактивных двигателей. Его можно считать зеленым элементом, поскольку двигатели на основе содержащих рений конструкционных материалов имеют более высокую топливную экономичность и, следовательно, более низкие выбросы углекислого газа. Развитие аэрокосмической отрасли определяет стратегическую важность этого металла для обороноспособности страны.
В меньшей доле (примерно 15% от всего потребляемого) рений востребован в составе катализаторов для производства бензина с высоким октановым числом. И в этой области он незаменим. Даже процесс очистки бензина назван рениформингом.
— Каково зарубежное понимание рения для насущных потребностей?
— Около 70% рения за рубежом используется для изготовления двигателей самолетов. Крупнейшие производители двигателей General Electric и Pratt & Whitney в настоящее время считаются и крупнейшими покупателями рения во всем мире. Новые турбовентиляторные двигатели Pratt & Whitney займут самую большую долю рынка для узкофюзеляжных реактивных пассажирских самолетов, которые планируется построить в течение следующих 20–30 лет. Например, двигатели серии PW1000G требуют 5,4 кг рения в турбине высокого давления. Такой двигатель будет установлен почти на половине самолетов Airbus A320neo, а также на Bombardier CSeries, Mitsubishi Regional Jet и других.
— Есть ли у России достаточные геологические запасы?
— После распада СССР запасы его остались в Казахстане, где производство рения наряду с Чили, самым крупным мировым продуцентом рения, многие годы занимало лидирующее место в мире. Источником рения являются молибденовые и медно-молибденовые руды порфировых месторождений, из которых рений извлекают исключительно как попутный компонент. Содержание его составляет от 0,01 до 1,0 г/т. Доля запасов такого сырья — более 80%. Вторые по значимости — медистые песчаники в Казахстане, Польше и Германии.
Запасы рения в России скудны, его относят к группе дефицитных металлов. Тем не менее можно говорить о запасах рения по категории А+В+С1 в 9,5 т, по категории С2 — в 176,8 т. Эти запасы связаны с наличием рения в месторождениях молибденовых руд (Сорском, Агаскырском, Мало-Ойногорском), медно-порфировых руд (Михеевском, Аг-Сукском), вольфрамо-молибденовых руд (Коклановском), урановых руд в песчаниках (Брикетно-Желтухинском), фумарольных газов вулкана Кудрявый (о. Итуруп). При этом активные запасы отсутствуют. При прогнозируемой потребности в 25 т (2032 год) и 35 т (2062 год) степень обеспечения потребности добычей составляет 20% и 0% соответственно. Необходим поиск новых сырьевых источников, переоценка осваиваемых и вовлекаемых месторождений.
— Легко ли извлекать рений из руд в России?
— Как и во всем мире, рений извлекают из российских источников сырья только попутно. Считается, что разработанные технологии отличаются сложностью, хотя они отработаны как для молибденового, так и для медного сырья. Сложность связана с улавливанием весьма летучих соединений рения (оксидов), при недостаточной организации этого процесса потери рения велики.
Извлечение рения из уранового сырья может производиться прогрессивным методом подземного выщелачивания. Внедрение известных приемов сорбционного концентрирования рения ограничено отсутствием ионитов отечественного производства.
Что же касается фумарол (это высокотемпературные газовые выбросы) вулкана Кудрявый, то в настоящее время пока ведутся исследовательские работы, создана опытно-промышленная установка, получены концентраты рения с обнадеживающим для промышленного извлечения содержанием. При разработке месторождения необходимо будет учитывать отсутствие на территории действующего вулкана инфраструктуры и загазованность, обусловленную выбросами сернистых соединений при высокой температуре (сотни градусов).
— В чем научные достижения российских ученых в рении?
— В первую очередь необходимо отметить, что российские ученые-металлурги из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН разработали уникальные по составу сплавы и суперсплавы рения. Академик Евгений Каблов (Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов) и его группа получили сплавы рения с содержанием его больше теоретического — до 12%. Увеличение содержания рения в сплавах напрямую связано с увеличением грузоподъемности самолетов.
Есть и мировые достижения в области минералогии. В 1994 году российские ученые из Института геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН, а также Института вулканологии и геодинамики РАЕН опубликовали в журнале Nature статью об открытии минерала рения — рениита, который был найден на вулкане Кудрявый.
В области технологии извлечения рения сотрудниками Института Гинцветмет, АО ВНИИХТ, ИМЕТ РАН, Кольского научного центра РАН, Санкт-Петербургского технологического университета, Московского технологического института, Российского химико-технологического университета, Санкт-Петербургского горного университета разрабатываются новые и усовершенствуются существующие пиро- и гидрометаллургические, в том числе электрохимические, методы переработки как традиционного, так и нетрадиционного первичного и вторичного сырья, а также способы получения сплавов с заданными свойствами и других видов содержащей рений продукции.
— Как вы прогнозируете спрос на рений до 2030 года?
— Спрос на этот металл, несмотря на кризисные ситуации, стабильно возрастает, причем возрастание идет нога в ногу с предложением. Нынешние прогнозы в отношении будущего спроса на рений со стороны аэрокосмической промышленности «бычьи», так как глобальный парк воздушных судов, как ожидается, удвоится в течение следующих 15 лет. В дополнение к этим сильным прогнозам в отношении гражданских самолетов военные инвестиции в высокотехнологичные самолеты приведут к дальнейшему увеличению производства реактивных двигателей. По моим ориентировочным подсчетам, спрос при текущей потребности в 73 т должен увеличиться на 15–20 т и составить в 2030 году 85–95 т. В России к 2032 году спрос должен увеличиться до 25 т при текущей потребности в 6,5–7,0 т (и импорте в 4,5 т).
— Каковы особенности технологий извлечения рения из первичного и вторичного сырья?
— Рений — исключительно редкий элемент периодической системы Менделеева. Если построить пирамиду, по сторонам которой расположить элементы в порядке убывания их содержания в земной коре, то рений будет находиться в ее вершине. Кларковое содержание рения составляет семь на десять в минус восьмой степени процентов, что обусловливает необходимость большой степени концентрирования его при осуществлении технологических операций и выбор селективных материалов для этого. Из первичного минерального сырья рений получают, как и многие столь редкие элементы, только попутно. При переработке традиционного сырья — молибденовых и медных руд — пирометаллургическим методом он переходит в газовую фазу, где улавливается подкисленной водой с получением так называемой промывной серной кислоты — основного сырьевого источника рения. Особенность этого процесса обусловливает высокая летучесть гептаоксида рения, вследствие которой возможны потери до половины и более извлекаемого рения. Для снижения потерь необходима полная герметизация газовых трактов.
Конечный продукт переработки первичного сырья, как правило,— перренат аммония, в котором должно быть очень низкое содержание калия (примерно 4–10%), мешающего получению качественного металла. В связи с этим на определенных стадиях концентрирования рения используют так называемую катионированную воду, то есть воду, очищенную от катионов калия.
При переработке содержащего рений лома приходится сталкиваться с проблемой его измельчения. Ведь рений по твердости уступает только осмию. Для этой цели часто используют специальное оборудование — дезинтеграторы или проводят предварительный обжиг. Путь переработки вторичного сырья через прямую отгонку рения так же, как и в случае с первичным сырьем, наталкивается на сложности с герметизацией оборудования.
— Насколько рентабельно получать рений из природного сырья?
— Поскольку рений извлекают только попутно, то природное сырье, из которого его получают, становится комплексным. При оценке рентабельности извлечения компонента из комплексного сырья учитывают, что затраты на получение основного компонента окупаются и не падают на затраты, связанные с извлечением попутного компонента (например, затраты на дорогостоящий горнорудный передел). В оценке рентабельности учитываются только те затраты, которые необходимы для выделения попутного компонента из продукта-концентратора. Поскольку рений — дорогой элемент (примерно $1500 за 1 кг), то даже при низких его содержаниях переработка прибыльна. Так, рентабельность извлечения рения из продуктивных растворов подземного выщелачивания урана выше рентабельности извлечения других редких элементов из этого полиметалльного сырья и оценивается в 540%.
— Опасен ли рений для окружающей среды?
— Не более чем обычный тяжелый металл. Но есть момент, который хотелось бы прояснить. Дело в том, что природный рений представляет собой смесь изотопов, один из которых слаборадиоактивный изотоп с периодом полураспада примерно 1023 года. В США, после того как зеленые обеспокоились здоровьем пассажиров самолетов, были проведены специальные исследования в этом направлении и выдано заключение, что при столь низком периоде полураспада рения, входящего в состав конструкционного материала лопаток двигателей, присутствие его не сказывается на здоровье людей.