Zirkoniumerz und die Zirkonium-Industriekette - Der Eckpfeiler der Kernenergieindustrie

Zirkoniumerz ist ein unverzichtbarer „Sicherheitsschild“ für die Kernenergieindustrie und sein Aufbau und seine Veredelung in der Industriekette sichern in hohem Maße die zukünftige Lebensader menschlicher sauberer Energie. Die Industriekette reicht vom Bergbau und der Aufbereitung über das Schmelzen von hochreinem Schwammzirkonium bis hin zur Präzisionsverarbeitung von Zirkoniumlegierungen in Kernqualität. Durch die Synergie strenger Prozesse und modernster Technologien wird die zentrale Barriere geschaffen, die den sicheren Betrieb von Kernreaktoren gewährleistet. Die autonome Kontrolle und kontinuierliche Weiterentwicklung der Zirkonium-Industriekette haben einen „Sicherheitsschlüssel“ für den Aufstieg der Kernenergie in großen Ländern geschaffen, der höchste Zuverlässigkeit ohne jegliche Fehlerquote bietet und China dabei unterstützt, sein Fundament zu festigen und die Zukunft in der globalen Energierevolution anzuführen.

【Die grundlegenden Konzepte und Anwendungen von Zirkonium】

Zirkonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Zr. Seine elementare Form ist ein hellgraues Metall mit hohem -Schmelzpunkt-. Die wichtigste natürliche Ressource von Zirkonium sind Zirkoniumsilikatmineralien und sein Rohsand ist Zirkon. Im Jahr 2018 identifizierte China Zirkoniumressourcen als eines der 35 kritischen Mineralien mit extrem hoher externer Abhängigkeit und entscheidend für Wirtschaftswachstum und nationale Sicherheit.

Nach Jahren der Entwicklung gibt es zahlreiche Produkte im Zusammenhang mit der Entwicklung von Zirkoniumressourcen, die in verschiedenen Industriebereichen wie Chemieingenieurwesen, Metallurgie, Werkstoffe, Luftfahrt, elektronische Information, medizinische Versorgung und Kernenergie weit verbreitet eingesetzt werden. Entsprechend den Produkteigenschaften lässt sich die aktuelle Zirkoniumindustrie in drei Teile unterteilen: Zirkoniumressourcen, chemisches Zirkonium und metallisches Zirkonium. Die Zirkoniumressourcenindustrie umfasst hauptsächlich die Exploration und Primärverarbeitung von Zirkoniumerzen; Chemisches Zirkonium ist ein wichtiger chemischer Grundstoff und ein neues Materialprodukt, das als feuerfeste Hochtemperaturmaterialien, Keramikpigmente, Keramikmaterialien, piezoelektrische Materialien, künstliche Edelsteine, Trübungsmittel für Keramikglasuren und alkalibeständige Glaszusätze verwendet wird. Zu metallischem Zirkonium gehören Zirkonium in Kernqualität und metallisches Zirkonium in Industriequalität. Zirkonium in Kernbrennstoffqualität wird hauptsächlich in Hüllrohren für Kernbrennstoffe, Steuerstabführungsrohren und Positionierungsabstandshaltern verwendet, während metallisches Zirkonium in Industriequalität aufgrund seiner hervorragenden Verarbeitungsleistung und Korrosionsbeständigkeit zu einem wichtigen Material für Ausrüstungen in der chemischen Industrie geworden ist.

„Die Zusammensetzung der Zirkonium-Industriekette“

Die Zirkonium-Industriekette in China hat sich ausgereift und ist hauptsächlich in drei Glieder unterteilt: Upstream-Zirkoniumerz-Rohstoffe, Midstream-Zirkonium-Zwischenprodukte und nachgelagerte Anwendungsbereiche.

Upstream: Zirkoniumerz-Rohstoffe

Der Kern der vorgelagerten Kette der Zirkoniumindustrie ist die Exploration und Primärverarbeitung von Zirkoniumerzressourcen. Die globalen Zirkoniumerzressourcen sind reichlich vorhanden und auf fünf Kontinenten verteilt, hauptsächlich im pazifischen Raum und in Afrika. Allerdings handelt es sich bei über 70 % der Zirkoniumerzressourcen Chinas um primäre Zirkoniumerze, die schwer auszuwählen sind, hohe Förderkosten verursachen und noch nicht vollständig ausgebeutet und genutzt wurden, was zu einem gravierenden Mangel an tatsächlich abbaubaren Reserven führt. Die abgebauten Strandsand-Erzvorkommen können nur einen Teil des inländischen Produktions- und Verarbeitungsbedarfs decken, was dazu führt, dass Chinas vorgelagertes Zirkoniumerz weitgehend von Importen abhängig ist. Nach der Vorwäsche des Erzes wird Zirkonsand gewonnen.

Midstream: Zirkonium-Zwischenprodukte

Der Midstream umfasst das Schmelzen und Verarbeiten, einschließlich effizienter Extraktion und Verbindungssynthese. Im Bereich des chemischen Zirkoniums ist Zirkoniumoxychlorid das wichtigste Zwischenprodukt, wobei Chinas orientalische Zirkoniumindustrie mit einer Kapazität von 60.000 Tonnen pro Jahr einen weltweiten Anteil von 30 % hält. Sein Kalzinierungsprodukt, Zirkoniumdioxid, wird zu Zirkoniumsilikat, Zirkoniumcarbonat und anderen Derivaten weiterverarbeitet; Im Bereich des metallischen Zirkoniums wird Schwammzirkonium durch Magnesiumreduktion oder Elektrolyse mit geschmolzenem Salz hergestellt, und anschließend werden durch Vakuumschmelzen im Lichtbogen Zirkoniumlegierungsbarren gebildet. Unter anderem wurde die von China Nuclear Zirconium Industry entwickelte N36-Legierung erfolgreich im Kernkraftwerk „Hualong One“ eingesetzt.

Downstream: Anwendungsfelder

Die nachgelagerte Verbindung umfasst die Endanwendung von Zirkonium und reicht bis hin zur Herstellung verschiedener Anwendungen. Zu den traditionellen Einsatzgebieten gehören Zirkoniumsilikat als Keramikaufheller, Zirkoniumdioxid als Hochtemperaturtiegel und Zirkonium in Industriequalität als chemischer Reaktor. Zu den High-End-Bereichen gehören Zirkoniumlegierungen für Hüllrohre für Kernbrennstoffe, Wärmeschutzbeschichtungen für die Luft- und Raumfahrt, Verbundwerkstoffe für Panzerungen und Transistoren mit hoher Dielektrizitätskonstante.

【Globale Verteilung der Zirkoniumressourcen und Marktstruktur】

Nach Angaben des United States Geological Survey aus dem Jahr 2024 machen die Zirkoniumreserven Australiens 74,7 % der weltweiten Gesamtreserven aus, während Chinas Anteil nur 0,1 % beträgt. Chinas jährlicher Bedarf an Zirkoniumerz liegt bei etwa 1,4 Millionen Tonnen, die inländische Jahresproduktion beträgt jedoch nur etwa 140.000 Tonnen, wobei die externe Abhängigkeitsrate bis zu 90 % beträgt. Allerdings werden 95 % des weltweiten Zirkonoxids in China produziert. Jedes Jahr importiert China große Mengen Zirkonerz und halbverarbeitetes Zirkonium, veredelt sie zu Zirkoniumprodukten und exportiert die meisten davon in europäische Länder wie Frankreich und Deutschland.

Derzeit konzentrieren sich die weltweit geförderten Zirkonium- und Hafniumerzvorkommen hauptsächlich auf Australien und Afrika, bei denen es sich allesamt um küstennahe sedimentäre Zirkonium- und Hafniumerze handelt. Die kombinierte Produktion von Zirkonium und Hafnium aus Australien und Südafrika macht mehr als 60 % der weltweiten Gesamtproduktion aus, während es in Asien und Amerika nur geringe Mengen gibt. Australien ist derzeit das Land mit den größten Zirkoniumressourcen der Welt, wobei seine Produktions- und Exportmenge durchweg weltweit an erster Stelle steht. Aufgrund der Tatsache, dass sich küstennahe Sedimentablagerungen in Strandsanden (Küstensanden) bilden, sind die geförderten Zirkonium- und Hafniumerze häufig kontinuierlich entlang der Küstenlinie verteilt.

【Hauptakteure in der Zirkonium-Industriekette】

In der Zirkonium-Industriekette decken wichtige Unternehmen die Entwicklung von Zirkonium-Mineralressourcen, die Raffination und andere nachgelagerte Anwendungen ab. Im Folgenden sind mehrere Unternehmen aufgeführt, die bedeutende Positionen in der nationalen und internationalen Zirkoniumindustriekette einnehmen:

Upstream: Der Upstream der Industriekette wird von internationalen Giganten dominiert: Der Australier Iluka kontrolliert 1,65 Millionen Tonnen Zirkonsandressourcen im Eucla-Becken, und der Brite Rio Tinto entwickelt die Sandmine Richards Bay in Südafrika mit Reserven von etwa 5,56 Millionen Tonnen. Chinesische Unternehmen wie Hainan Haiyu Mining haben durch den Erwerb von Bergbaurechten in Mosambik 740.000 Tonnen Reserven hinzugefügt und legen aktiv Ressourcen im Ausland an.

Midstream: Im Midstream-Schmelzstadium, im Bereich des chemischen Zirkoniums, ist Chinas Oriental Zirconium Industry mit einer Jahreskapazität von 60.000 Tonnen Zirkoniumchloridoxid weltweit führend, und das US-Unternehmen Tronox erreicht eine integrierte Produktion von Bergbau und Chemikalien; Im Bereich des metallischen Zirkoniums dominieren Chinas National Nuclear Zirconium Industry, beispielsweise die im Inland hergestellte N36-Legierung, die im „Hualong One“ verwendet wird, und Westinghouse aus den USA den High-End-Markt.

Nachgelagert: Die High-End-Fertigung der nachgelagerten Zirkoniumindustriekette konzentriert sich auf die Bereiche Kernenergie und Militär: Das französische Unternehmen Orano liefert Kernbrennelemente aus M5-Zirkoniumlegierungen, das US-amerikanische Unternehmen ATI produziert HfB₂-Ultra-{2}Hochtemperaturkeramik und die chinesische Aviation Engine Corporation entwickelt ZrC-Panzerungsmaterialien. Die inländische nationale nukleare Baotitanium-Zirkonium-Industrie ist ein professionelles Unternehmen für Zirkoniummaterialien in Nuklearqualität. Die Produktion von Zirkoniummaterial macht über 80 % des Landes aus und bildet eine technologieintensive Wettbewerbslandschaft.

„Die zukünftigen Trends der Zirkonium-Industriekette“

Die globale Zirkoniumindustriekette steht derzeit unter dem doppelten Druck von Ressourcenmonopol und strukturellem Ungleichgewicht. Als weltweit größter Verbraucher von Zirkonium ist China zu über 90 % auf Importe angewiesen. Darüber hinaus liegt der inländische Zirkoniumerzgehalt meist unter 1 %, was hohe Förderkosten und erhebliche Umweltrisiken mit sich bringt. Beim Schmelzprozess entsteht bei der traditionellen Alkalifusionsmethode eine große Menge hochalkalisches Abwasser (20-30 Tonnen Abwasser pro Tonne Zirkoniumchlorid). Unterdessen sind hochwertige Zirkoniummaterialien in nuklearer Qualität immer noch auf Importe angewiesen, was auf eine unzureichende Autonomie und Kontrolle über die Industriekette hindeutet.

Im Einklang mit der Entwicklungsstrategie „Dual Circulation“ sollte China die komplementären Ressourcenvorteile der Länder entlang der „Belt and Road“ voll ausschöpfen und die Investitionen in den Bergbausektor in diesen Regionen erhöhen. Es sollte auch eine umfassende Ressourcendiplomatie betreiben, um eine vernünftige und umfassende Gestaltung der Ressourcenexploration und -entwicklung im Ausland zu erreichen. Auf Unternehmensebene sollten inländische Bergbauunternehmen aktiv hochwertige ausländische Zirkoniumminen erforschen und entwickeln, beispielsweise durch den Erwerb von Mehrheitsbeteiligungen, die Übernahme von Minderheitsbeteiligungen oder vollständige Übernahmen. Dies wird das Tempo der „Globalisierung“ der chinesischen Zirkoniumunternehmen beschleunigen. Im Jahr 2017 genehmigte das Bergbauministerium von Mosambik zwei Lizenzen für den Abbau von Zirkon-titansand für Hainan Haiyu Mining Co., Ltd. und erweiterte das Unternehmen um 740.000 Tonnen Zirkoniumressourcen. Diese Entwicklungen deuten darauf hin, dass chinesische Bergbauunternehmen erste Erfolge bei entsprechenden Kooperationen im Ausland erzielt haben.

Mit dem technologischen Fortschritt und der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungsgebiete wird Zirkonium als wichtiges Element eine immer bedeutendere Rolle spielen. Derzeit fördert China aktiv die globale Bergbaukooperation entlang der „Belt and Road“, um ein Win-{1}Win-Ziel bei den Bodenschätzen zu erreichen und die langfristige Versorgung mit Zirkoniumressourcen in China stark zu unterstützen. Durch die Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit der Industrie, die Erhöhung der Investitionen in wissenschaftliche Forschung und Entwicklung, die Verbesserung der technologischen Innovationsfähigkeiten, die Anleitung von Unternehmen zu einer engen Zusammenarbeit mit Universitäten und Forschungseinrichtungen, die Förderung der Integration von Industrie, Wissenschaft und Forschung sowie die Beschleunigung der Transformation und Anwendung wissenschaftlicher und technologischer Errungenschaften kann die Entwicklung der Zirkoniumindustrie wirksamer gefördert und die Anwendungsbereiche von Zirkonium kontinuierlich innoviert und erweitert werden.