はじめに
レアアース（希土類元素）は、世界中のほとんど全ての人々の生活に影響を及ぼしており、技術先進国の全ての人々と第三世界各国のほぼ全ての人々は、日常生活で希土類を利用しています。数例を挙げるだけでも、我々が車を運転したり（ガソリンは希土類触媒を用いて原油から精製され、触媒転化器は自動車排ガス中の汚染排気物を低減します）、テレビでニュースを見たり（テレビ画面の赤色と縁色）、コミュニケーションをとるために使用している電話やコンピュータ（スピーカーやディスクドライブの永久磁石）などがあります。より詳しい事例については、表2を参照してください。希土類元素を使わないならば、携帯電話やライターの石（鉄とセリウム含有量の高い希土類合金とでできています）でさえも持たずに、寝袋を持って文明から遠く離れた深い森や砂漠の洞穴に入るしかないでしょう。個人生活への影響に加えて、米国（世界の他の地域も同様に）の軍事安全保障は、希土類（電気モーター、コンピュータ、および誘導システム用の永久磁石）に非常に強く依存しています。米国のエネルギー安全保障（電気モーター、電池、風力タービン、石油精製、および蛍光灯）についても同様です。今日、商業的に用いられている希土類の97%は中国の鉱山（主にバストネサイト石、内モンゴル自治区のBayan Obo鉱山）から、インドからは2%、ブラジル、マレーシア、米国の各国からはそれぞれ0.5%以下の希土類が生産されています。この不安定な状況は、米国と残りの中国以外の国々（ROW：the USA and the rest of the non Chinese world）における科学技術の将来にとって良い兆候とはいえません。ROWは必要な希土類の大部分を入手できてはいますが、中国で生産された元素の価格は昨年の間に100%上昇し、特にいくつかの希土類、驚くべきことにLaとCeの価格は900%も上昇しました。
図1に示したように、希土類元素はかなり豊富に存在し、元素の天然存在比で見た順位は、上位からの25から75パーセントの間にあります。最も豊富な希土類はセリウムで、最も少ないものはルテチウムです。一般的に採掘される希土類鉱物を表1に示しました。希土類元素は、中国でしか見つからないわけではありません。存続可能な鉱床は、世界中のどんな片隅にもほぼ存在していることが知られています。中国は既知の埋蔵量の約31%を保有している一方で、米国は採掘可能な世界有数の鉱床の1つであるMountain Pass鉱山（カリフォルニア）を保有しています。Mountain Passは、州間高速道路15号線沿いのラスベガスの西約75マイルにあり、カリフォルニア州とネバダ州の境界の5マイル内側に位置します。さて、現在こうした状況にあるとしたら、我々（ROW）はどのようにしてこのようなジレンマに陥ってしまったのでしょうか? そして、ROWはどのようにしたらこの状況から抜け出せるのでしょうか? 答えのいくつかを次の章以降でご説明していきたいと思います。
図1 希土類元素（赤）の相対存在量。図はGordon Haxel氏（USGS）より提供。
歴史
1960年以前は、希土類の生産量は年間2千t以下でしたが、1年につき約10%の割合で増加し、2010年には12万4千tにまで達しました。電子による励起で赤い強力な発光を示すEuが発見され、1960年代初頭のカラーTVへの急速な利用をきっかけに、レアアース産業の成長は始まりました。Molycorp社のMountain Pass鉱山（カリフォルニア州、バストネサイト鉱床）からの希土類酸化物の生産は1964年に始まり、2年後には同社が世界で消費される希土類酸化物の50%を供給するようになり、その状況が1984年まで続きました。中国は、1985年に混合希土類濃縮物を輸出し始め、1990年までにその生産量は米国を上回るようになりました。そして1990年代初期に、中国は分離した希土類酸化物および希土類金属を輸出し始めると、世界の他の地域への混合希土類の供給を減らしました。さらに、1990年代後期には中国は磁石や蛍光物質、研磨剤などの付加価値の高い製品の供給へと移行し、世紀が変わってからは、電気モーター、コンピュータ、電池、液晶ディスプレイ（LCD）、携帯電話、および携帯型音楽プレイヤーといった最終製品を供給しています。希土類に関するこれら変化の詳細は、Science,1やChemical and Engineering News,2、Bloomberg/Business Week.3などに発表された最近の論文に見ることができます。
1970年に、中国は既知の希土類埋蔵量の75%を所有すると、これを基に、レアアース市場で強い存在感を示し始めました。しかしその後の30年間で、中国における既知の埋蔵量の絶対量が約290%増大したにもかかわらず、、世界中で新しい鉱床が発見されたため、中国の埋蔵量の割合は約30%に下落しました。近年では、中国はレアアース市場に対するアプローチを変え、生産割当制、輸出割当制、輸出税の導入や環境法の施行を実施し、また、希土類の新規鉱業権を与えていません。さらに、特に重希土類（GdからLu）について、国内市場が急成長していることと埋蔵量が限られていることを理由に、中国は希土類の最終製品をもはや輸出しないと表明しています。その結果、希土類材料および希土類含有製品の価格は、ROWの鉱業会社と製造業者が中国との競争が可能となり利益をあげることができるレベルにまで上昇しています。中国以外の国々の希土類酸化物（REO）の年間生産量は、2009年には4千tであったと推定されています。これとは別に、希土類材料には重要な供給源があります。それは中国から密輸出されるものです。その大半は、中国南部のゼノタイム（xenotime）およびラテライト粘土（laterite clay）鉱床から得られる、貴重な重ランタノイドとイットリウムです。非合法での取引は、2007年で3～4万t、すなわち公式に発表された数値のおよそ20%と推定されています。当然、中国政府はこの流出を阻止しようとしており、最新の試算では2010年におよそ1.5～2万tに減少していることから、この流出防止策は成功しているように思われます。
混合希土類および個々の希土類の各種用途について、表2の第4列に示しました。また、現在の推定需要（3列目）と、全体の市場に対する各希土類の占める割合（2列目と、図2）についても示しました。。各希土類の市場状況（balanced（良好）、surplus（過剰）、tight（不足））についても表2（3列目）に注釈をつけました。最大の市場はCe（全重量の30%）で、混合希土類（28%）、La（25%）、Nd（16%）、およびPr（5%）です。残り10元素の市場のうち、3つ（Sm、Gd、Dy）は2%未満で、他の7つは各々0.5%未満です。なお、注意しなければならないのは、今日採掘されるセリウムの約43%しか利用されていない点です。もし完全に利用されたならば、セリウムの市場占有率はほぼ50%になるでしょう。セリウムは、他の希土類元素と比べて比較的安価に分離（単純な酸化／還元工程）ができるのですが、向流液‐液抽出操作によって他の希土類の処理を始めるには、まず原液からセリウムを除去しなければなりません。
2つ目の問題点は、これを保管しておかなければならないということです（1年につき約5万t）。そのため、レアアース産業は大規模な（何万tもの）セリウムの新しい用途開発を大いに歓迎すると思われます。セリウムの市場バランスが保たれるならば、他の希土類元素のコストはかなり下がるでしょう。多様な分野における希土類の使用例を、図3に示しました。図4は、Ames LaboratoryのMaterials Preparation Centerで製造された、高純度（研究用）希土類金属、酸化物、およびフッ化物のサンプルです4。
図2 全生産量（体積）に対する希土類の割合の分布。REOは混合金属希土類酸化物を表します。
図3 2009年に利用された希土類元素の最終用途の分布。USGS Mineral Commodity Summaries提供。
図4 希土類金属（アーク溶融ボタンと鋳造ロッド）、酸化物（粉末）、およびフッ化物（結晶）。出典：Ames Laboratory提供。
将来
採掘
最善の予測によると、高まる需要に応えるためには、ROWの鉱業会社は2010年に6千tである生産量を2015年には5万tに増やす必要があるとされています。Mountain Pass鉱山は2012年にはフル稼働することで2万t/年を供給し、2013年には拡張事業の第2段階に入ることで生産能力が倍増すると予想されています。オーストラリアのMount Weldモナザイト鉱山は2011年に生産を開始し、2013年には2.1万t/年を供給することができるでしょう。これらの2社で、2014～2015年を通しての予測需要量の大部分を補うことができるはずです。しかし、これらの2つの鉱床は主に軽希土元素（La、Ce、Pr、Nd、およびSm）を含有するものです。Ndや重希土類であるTbおよびDyの需要については、2011～2015年の5年間は厳しいものとなるでしょう。これら3つの元素を高い割合で含有する小規模な鉱床がいくつかあります。2014～2015年の間に操業できるようになることが期待されており、重希土類元素に対する市場圧力が緩和される可能性もあります。
現在稼動中の、中国以外の国にある2つの重要な鉱山は、オリッサ（Orissa）砂鉱床（豊田通商、インド）とバストネサイトDongPao鉱山（アジア系企業数社による共同所有、ベトナム）です。どちらも軽ランタノイドを生産するもので、ROWからの約5千tのREOを担っています。さらに5つの軽ランタノイド希土類鉱山が、2013～2015年の間に操業可能になると予想されます。これら10の供給源に加えて、希土類供給源になりうると考えられている鉱床が100～150ありますが、大部分は完全に機能する鉱山とはならないでしょう。需要の増加が1年に10%と仮定した場合、有望な新規鉱山の大部分と既存の鉱山が操業できるならば、2015～2020年の市場における希土類酸化物の供給は需要を上回ると考えられます。
サプライチェーンの中間業者とOEMメーカー
採掘された鉱石や加工された希土類濃縮物、分離された個々の希土類は、これら原材料に対する2011～2015年の需要に応えられると思われますが、重要な問題点は、希土類酸化物を有用な加工品（例えば、磁石、電池、蛍光体など）にするROW製造業者がサプライチェーンに不在であるという点です。このことは、最終製品（例えば、コンピュータや電動機、携帯電話、電球形蛍光灯（CFL）、LCD、電池など）に関するROWのOEM（original equipment manufacturer、相手先ブランド製造業者）にもあてはまります。これらOEMメーカーは、1990年代にビジネスから駆逐されてしまったためです。米国で希土類原材料を採掘、加工しても、最終製品の生産のためにアジアに送り、それから米国に返送するようではあまり意味がありません。
米国およびROW政府は、世界的規模で十分に競争することができる、サプライチェーンの中間層とOEM産業を復興させるための積極的な措置をとる必要があります。サプライチェーンの中間層とOEMに活力を与える最も直接的な方法は、採掘された希土類酸化物を、磁石、電池、および磁気冷凍装置用に金属へ変換したり、蛍光体、光学部品、触媒などに用いられるその他の化合物に変換したりするような組織、団体に対して、長期的に保証された融資を行うことです。これらの企業は、利用可能な最新技術を用いて生産プロセスを自動化、近代化する必要があります。これこそ、我々が世界的な規模で十分な競争を行うための唯一の方法です。
科学的および技術的に優れた人材の育成
サプライチェーンにおける、これらの技術的なギャップを埋めていく上で、特に50歳よりも若い、経験豊かな熟練の科学者およびエンジニアが不足していることも、ROWのジレンマの一因となっています。かつてレアアース業界を陰で支えていた年配の科学者やエンジニアの多くは、引退したか新しいポジションに移っており、レアアース業界へ戻ってくることは期待できません。こうした知的基盤の不足には、他の大学や研究センターと提携している教育機関に国立の希土類研究センターを設立することによって対処できます。これらの詳細については、最近、著者が別著にて論じています5。
学生が勉強を終えて、民間企業や教育機関、政府機関、非営利の研究所などに就職した後、彼らが最大の能力を発揮するまでには、平均してさらに5～10年かかります。その後、新規もしくは既存の成熟した機器や製品の効率化をはかるために、新製品の開発や新たなプロセス設計（もしくはプロセスの改良）を（おそらく同時に環境にやさしいグリーンテクノロジーを用いて）行っていくことで将来の教育的なリーダーとなり、社会に科学的かつ技術的な貢献ができるようになります。こうした人材が、我々がかつて1980年代および1990年代初期に持っていた技術的リーダーシップや創造性を取り戻す助けとなるのです。このように、センター設立の目的はスタートしてから10～15年の単位で達成されるものであり、長い時間がかかりますが大きな成果を期待することができます。これこそ、米国とROWがチャレンジすべきことです。
他の解決策
現状では、日本を除いて希土類含有製品をリサイクルしている国はおそらく皆無です。しかし、少なくとも米国ではいくらかの研究活動が始まっています。このテーマに関しては、今後より多くの研究に対してROW政府による資金提供が行われると思われます。大きな問題の1つは、希土類が電子機器などに欠かせない構成要素であるにもかかわらず、最終製品（例えば、コンピュータ）に占める重量や体積はごくわずかであるということです。結局のところ、その割合は今日採掘される貧鉱体とほぼ同じ（約2%程度）です。携帯電話と携帯型音楽プレイヤーではさらに低く、希土類磁石の重さはデバイスの0.1%未満です。
現在、希土類元素の代替物を探索する研究がわずかですが行われていますが、その独特の電子構造と4f電子軌道に特有の性質の影響もあって、難しい課題となっています。希土類（ランタノイド）系材料が用いられている主要な技術的に高度な用途（光学、蛍光物質、蛍光灯、電子機器、磁石）は、各元素の持つ特定の4f電子配置に基づいたものです。したがって、用途も非常に独特であるために希土類原子の代わりとなる他の元素を見つけることは難しく、1つのランタノイドを別のものに置換することさえ困難です。用途にもよりますが、特定の希土類の代替物を見つけられる可能性はほとんどありません。新たな用途が実現されると、科学者やエンジニアは常にその日から代替物の探索を始めています。例えば、テレビの赤色はEuによるものですが、約50年以上代替物は見つけられていません。同様に、Sm永久磁石（Aldrich製品番号：692859、692840、692832）およびCeを用いた自動車用三元触媒転化器は、30年以上が経過しています。そして、Nd-Fe-B（Aldrich製品番号：693790、693782、693820）永久磁石は約27年経過しており、同等の性能が実証された現実的な代替物はまだ見つけられていません。チャレンジすべきではないというわけではありませんが、成功する見込みが少ないことは肝に銘じておかなければなりません。
しかし、1つのランタノイドを別のランタノイドに部分的に置換すると、元のランタノイドの利用が拡大する可能性があります。例えば、Nd-Fe-B永久磁石のNdは部分的にPrで置換することが可能です。しかし、元の鉱石源では1個のPr原子につき約4個のNd原子が存在しているので、これは単に永久磁石で用いられるNdの量を減らしただけです。それでも、Prが保存が必要な副産物にはならないという点では、付加的な利点があるといえます。もう1つのケースは、ミッシュメタル（天然に存在する希土類鉱石－50% Ce、25% La、15% Nd、4% Prの金属混合物）による、ニッケル・水素電池中のLaの代替または部分的な置き換えです。いずれの場合も、磁石または電池の性能が若干低下しますが、いくつかの用途においては十分な性能が維持されます。
直接駆動式風力タービンに用いられている希土類永久磁石は、実際に置き換えできる可能性があります。磁場の生成に、約50 Kで動作する高温セラミックYBa2Cu3O7（Aldrich製品番号：328626）超伝導体を用いるのです6。しかし、これは1つの希土類（Y）で別の希土類（Nd）を交換することであり、Nd市場の圧力を緩和するために現在バランスがとれているY市場に圧力をかけることになります。果たして、これは良い取引といえるでしょうか?
希土類を用いない製品に戻ることはいつでもできます。しかし、ユーザーは性能の劣った製品を受け入れるでしょうか? 例えば、ノートPCは約50%大きくなり、重さは2倍になるでしょう。同様に、自動車にはより重くて大きな電気モーターを用いなければならなくなり、ガソリン1ガロン（リットル）あたりの走行距離は減少してしまいます。しかしながら、自動車会社では、1ガロンの燃料から得られるマイル数を増やして政府のCAFE基準（企業別平均燃費規制、CAFE：corporate average fuel economy、2016年で35.5マイル/ガロン）を満たすためにまさに懸命の努力がなされており、そんなことが起こるとは考えられません。
希土類の供給と精製に占める中国の大きな市場シェアのために、レアアース市場の将来は非常に不確実です。その上、中国はここ数年以内に（2015年までに）ROWの国々に対してすべての希土類材料の供給を停止すると表明しています。。その理由として、国内の希土類消費が中国内で採掘される希土類の生産量を上回る見込みであることが挙げられています。問題は、中国が2015年以降、いくつかの希土類、主に重ランタノイドやイットリウムを輸入し始めるかどうかです。それとも、中国は国内生産量を増やすのでしょうか? 中国の鉱業会社は、世界的な希土類鉱石源（特にイットリウムや重ランタノイドを多く含む）の主要な所有権を精力的に購入しようとしており、前者が最も可能性の高いシナリオです。これは、中国のイオン吸着性（ラテライト）粘土鉱床が2025年もしくはそれよりも早くに枯渇すると考えられているためで、重希土類の主要な鉱石源としては、既に知られている広東省のゼノタイム鉱床1つのみが残ることになります。
中国は、採掘、選鉱、および初期の分離段階（中国はこれら材料をすでに輸出していません）における、自身のレアアース市場のシェアをコントロールし続けているように見えます。国内でこれらの材料を用いることは、サプライチェーンへの希土類製品の供給にも直接影響を及ぼします。。サプライチェーンについては、1990年代後期から2000年代の初めにかけて悪化した、技術的、科学的、そして起業家的な希土類に関するインフラの崩壊のために、ROWは非常に弱い立場にあります5。
中国の製造業者が、初期（およそ1992～2005年）に市場での強い立場を築くために行ったように、全てのレアアース市場での価格を下げることはまずないでしょう。また一方で、経済的利点のためにいくつかの希土類元素の価格を下げる可能性はあります。しかしながら、これらとは関係なく、ROWの国々は採掘、加工、精製に関する能力の回復や、サプライチェーンの中間層と最終製品の生産の発展、レアアース産業に貢献するための次世代科学者の育成によって、増大する希土類材料の需要に応えることが可能です。
謝辞
著者は、同僚であるV. K.Pecharsky, A.H. King, I.E.Anderson and S.R.Karsjenに感謝します。また、Sigma-AldrichのNathaniel Henderson氏からは建設的なコメントを頂き、感謝いたします。Ames Laboratoryでの研究は、Iowa州立大学との契約のもと（DE-AC02-07CH11358）、米国エネルギー省科学局（the Office of Science）の基礎エネルギー科学室（Office of Basic Energy Sciences）、材料科学部門（Materials Sciences Division）の支援を受けています。
References
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