Радиационное загрязнение

По оценкам ученых, человечество в настоящее время живет за счет будущих поколений, которым уготованы гораздо худшие условия жизни, что неизбежно повлияет на состояние их здоровья и социальное благополучие. Чтобы избежать этого, людям нужно научиться существовать только на "проценты" с основного капитала – природы, не расходуя сам капитал.

 

Начиная с ХХ века, этот капитал растрачивается неуклонно возрастающими темпами, и к настоящему времени природа Земли изменена настолько, что вот уже несколько десятилетий на международном уровне обсуждаются глобальные экологические проблемы.

На современном этапе развития общества мы не можем представить свою жизнь без электроэнергии, которую получаем в необходимом объёме. Это достигается путём использования различных источников энергии. Одним из основных источников энергии является ядерная энергетика, которая при условии строжайшего выполнения необходимых требований, более экологически чистая, чем теплоэнергетика, поскольку исключает вредные выбросы в атмосферу.

Однако использование атомной энергетики привело и к негативным последствиям для человечества.

 

Деятельность человека в несколько раз увеличила число присутствующих в среде радио-нуклидов и на несколько порядков — их массу на поверхности планеты.

 

Естественно, что особую проблему представляет радиоактивное загрязнение окружающей среды, выражающееся в повышении естественного уровня содержащихся в ней радиоактивных веществ вследствие испытаний ядерного оружия и аварий на АЭС.

Кроме радиоактивного загрязнения при авариях использование атомной энергии в широких масштабах приводит к накоплению радиоактивных отходов. Возникает проблема их переработки и захоронения. Только на предприятиях Минатома России сосредоточены 600 млн. м3 радиоактивных отходов с суммарной активностью 1,5 млрд. Ки. Ни одна АЭС не имеет полного комплекта установок для подготовки отходов к захоронению.

Отходы от английских и французских атомных заводов загрязнили радиоактивными элементами практически всю Северную Атлантику, особенно Северное, Норвежское, Гренландское, Баренцево и Белое моря. В загрязнение радионуклидами акватории Северного Ледовитого океана некоторый вклад сделан и нашей страной.

Наибольшее загрязнение атмосферы радиоактивными веществами происходит в результате взрывов атомных и водородных бомб. Каждый такой взрыв сопровождается образованием грандиозного облака радиоактивной пыли. Взрывная волна огромной силы распространяет ее частицы во всех направлениях, поднимая их более чем на 30 км. В первые часы после взрыва осаждаются наиболее крупные частицы, несколько меньшего размера — в течение 5 суток, а мелкодисперсная пыль потоками воздуха переносится на тысячи километров и оседает на поверхности земного шара в течение многих лет.

 

Пыль долго держится в атмосфере и поглощает значительную часть солнечной радиации. В атмосферу поступает большая масса сотен различных радионуклидов, которые постепенно выпадают на всей поверхности планеты. Расчеты ученых показывают, что даже при локальном применении ядерного оружия образовавшаяся пыль будет задерживать большую часть солнечного излучения. Наступит длительное похолодание («ядерная зима»), которое приведет к гибели всего живого на Земле.

 

Радиоактивному воздействию подвергается не только наземно-воздушная, но и водная и подземная среды, а из за миграции атомов на планете нет ни одного радиационно-безопасного участка. Концентрация радионуклидов постепенно возрастает по пищевым цепям. В костях окуня и ондатры их содержание возрастает в 3000-4000 раз по сравнению с концентрацией в воде. Это имеет существенные негативные последствия для живых организмов, включая и человека, и биосферы в целом. Установлено, что коэффициент накопления стронция-90 в раковинах моллюсков днепровских водохранилищ относительно воды достигает 4800. Поэтому при оценке воздействия радионуклидов на среду необходимо учитывать эффект биологического накопления их живыми организмами и последствия для естественных экосистем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные источники радиационного загрязнения биосферы

 

1) Добыча и переработка  радиоактивного минерального сырья

 

    Из всего уранопроизводящего комплекса добыча и переработка урановых руд дает самый большой объем радиоактивных отходов, которые по физическому состоянию подразделяются на твердые и жидкие. Специфическая особенность уранового и ториевого производства – наличие во всех видах отходов радионуклидов с большим периодом полураспада. Обычно промышленное содержание урана в рудах находится в интервале 0.02-0.03%. Руды с меньшей концентрацией этого радиоактивного элемента считаются забалансовыми. «Пустые» породы содержат тысячные доли процента урана. Последние две категории минерального вещества, как и сами балансовые руды, относятся к материалам, представляющим опасность для окружающей среды, поскольку они на расстоянии 10 см от их поверхности создают мощность эквивалентной дозы более 0.1 мЗв/ч.

      Дополнительный источник загрязнения окружающей среды – жидкие отходы, к которым относятся шахтные воды, насыщенные радионуклидами.

   Другим звеном уранового производства являются обогатительные предприятия и заводы по гидрометаллургической переработке радиоактивных руд, где главный вид отходов – хвосты переработки рудной массы, насыщенные радиоактивными жидкостями. Весь этот материал удаляется в намывные хвостохранилища, которые являются неотъемлемой частью гидрометаллургического производства урана и тория и главным источником местного загрязнения окружающей среды радионуклидами. Вокруг хвостохранилища со временем образуется постоянно функционирующий как наземный, так и подземный ореолы распространения радионуклидов . Кроме того радиоактивные руды часто транспортируются по железной дороге с грубейшими нарушениями техники безопасности.

   

2) Уголь как источник  естественной радиации

 

    Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля – растительные остатки, произраставшие миллионы лет назад. Вместе с тем, уголь всегда содержит природные радиоактивные вещества уранового и актиноуранового рядов, ториевого ряда, а также долгоживущий радиоактивный изотоп 40K. Таким образом, естественная радиоактивность угля формируется за счет природных радионуклидов. Уран в окислительных условиях земной поверхности, как правило, присутствует в виде хорошо растворимых соединений, и поэтому значительно более широко рассеян, чем торий, хотя среднее содержание урана в земной коре на порядок ниже, чем тория.

   

   3) Ядерная энергетика

 

    По состоянию на 2009 год в мире действовало 437 энергетических ядерных реактора, генерирующих почти 16 процентов мировой электроэнергии. Для обеспечения этих АЭС ядерным топливом необходимо ежегодно почти 4000 т природного урана.

        Другой источник родионуклидов, попадающих в окружающую среду от функционирующих АЭС, – дебалансная и техническая вода. ТВЭЛы, находящиеся в активной зоне реактора, часто деформируются, и продукты деления попадают в теплоноситель. Дополнительным источником радиации в теплоносителе являются РН, образующиеся в результате облучения материалов реактора нейтронами. Поэтому периодически вода первого контура обновляется и очищается от РН.

    Чтобы не произошло загрязнение окружающей среды, вода всех технологических контуров АЭС включается в систему оборотного водоснабжения. Тем не менее, часть жидких стоков сбрасывают в водоем-охладитель, имеющийся при каждой АЭС. Этот водоем является слабопроточным бассейном (чаще всего это искусственное водохранилище), поэтому сброс в него жидкостей, содержащих даже малое количество радионуклидов, может привести к опасной их концентрации. Сброс жидких радиоактивных отходов в водоемы-охладители категорически запрещен Санитарными правилами. В них можно направлять только жидкости, в которых концентрация радиоизотопов не превышает допустимые нормы.

    Наносят ли вред окружающей среде атомные электростанции? Опыт эксплуатации отечественных АЭС показал, что при правильном техническом обслуживании и налаженном мониторинге окружающей среды они практически безопасны. Радиоактивное воздействие на биосферу этих предприятий не превышает 2% от местного радиационного фона.

    Выбросы АЭС на 99.9% состоят из инертных радиоактивных газов (ИРГ). В процессе деления образуется около 20 радиоизотопов криптона и ксенона, из которых основной вклад в ИРГ вносят изотопы криптона 88Kr (период полураспада 2.8 ч) и ксенона 133Хе (5.3 сут), 135Хе (9.2 ч) дающие различный вклад, в зависимости от типа реактора. На долю всех оставшихся радионуклидов (в основном это 131I, 60Co, 134Cs, 137Cs и тритий 3H) приходится менее одного процента. Еще в меньшем количестве наблюдаются выбросы небольшого количества продуктов коррозии реактора и первого контура и осколков деления ядер урана 51Cr, 54Mg, 95Nb, 106Ru, 144Cs. Для Российских АЭС в среднем в численном выражении это составляет на 1 ГВт·ч выработанной электроэнергии 5∙1012 Бк для ИРГ, и 4∙107 Бк для суммы всех остальных радионуклидов.

    Большинство радионуклидов газоаэрозольных выбросов, включая ИРГ, имеют довольно небольшой период полураспада и без ущерба для окружающей среды распадаются, не успевая поступить в атмосферу. Тем не менее, для обеспечения безопасности по отношению к этим радионуклидам на АЭС, как правило, предусмотрена специальная система задержки газообразных выбросов в атмосферу.

    Характер и количество газообразных радиоактивных выбросов зависит от типа реактора и системы обращения с этими отходами. В табл.5.3 на примере трех АЭС разных поколений приведено сопоставление выбросов в окружающую среду основных изотопов.

 

Таблица 5.3. Сопоставление выбросов в окружающую среду

основных изотопов на примере трех АЭС (данные за 2010 г.).

 

Радионуклид  Нововоронежская  Белоярская  Ленинградская

Всего  На 1 ГВт.ч  Всего  На 1 ГВт.ч  Всего  На 1 ГВт.ч

СУММА ИРГ  4.2.1013  3.57.1012  5.47.1012  1.39.1012  2.29.1014  8.31.1012

131I  2.2.108  1.87.107  −  −  −  −

60Co  2.0.108  1.70.107  3.20.105  8.14.104  2.50.108  9.07.106

134Cs  8.6.107  7.31.106  −  −  1.79.107  6.50.105

137Cs  1.3.108  1.10.107  1.4.107  3.56.106  4.40.107  1.60.106

    Наиболее опасным в выбросах современных АЭС считается тритий. Он может замещать водород во всех соединениях с кислородом, серой, азотом. А эти соединения составляют значительную часть массы животных организмов. Доказано, что он легко связывается протоплазмой живых клеток и накапливается в пищевых цепях. Распадаясь, тритий превращается в гелий и испускает β-частицы. Такая трансмутация должна быть очень опасна для живых организмов, т.к. при этом поражается генетический аппарат клеток. В организм человека 3Н поступает в виде газа и тритиевой воды 1Н3НО через легкие, кожу и желудочно-кишечный тракт. Газообразный 3H2 в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода 3H2О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать организму значительную дозу радиации. Половина тритиевой воды выходит из организма каждые 10 дней.

 

4) Тепловые электростанции

 

    В радиационном отношении гораздо более опасны тепловые электростанции, поскольку сжигаемые на них уголь, торф и газ содержат природные радионуклиды семейств урана и тория. Средние индивидуальные дозы облучения в районе расположения тепловых электростанций мощностью 1 ГВт/год составляют от 6 до 60 мкЗв/год, а от выбросов АЭС – от 0.004 до 0.13 мкЗв/год. Таким образом, АЭС при нормальной их эксплуатации являются экологически более чистыми, чем тепловые электростанции.

 

Таблица 5.4. Среднегодовые выбросы радионуклидов тепловой станции.

Радио

нуклид Бк/ГВт·ч Период полураспада

220Rn 4.07·109 55.6 с

222Rn 8.14·109 3.8 сут

238U 5.55·107 4.5 млрд. лет

234U 5.55·107 245 тыс. лет

226Ra 4.44·107 1600 лет

218Po 1.41·108 3 мин

214Pb 1.41·108 27 мин

214Po 1.41·108 0.00016 с

2l0Pb 1.41·108 22 года

2I0Po 1.41·108 138 сут

216Po 8.88·1078 0.15 с

212Pb 8.88·107 11 час

40K 1.96·108 1.3 млрд. лет

    Наибольшую опасность представляют ТЭС, работающие на угле. Во время сжигания угля большая часть урана, тория и продуктов их распада выделяются из исходной матрицы угля и распределяются между газовой и твердой фракциями. Практически 100% присутствующего радона переходит в газовую фазу и выходит с дымовыми газами.

    Кроме дымовых газов, к основным источникам поступления радионуклидов в окружающую среду при сжигании угля на электростанции относят вынос частиц угля с открытых площадок углехранилищ (углеунос) и золоотвал. При сгорании большая часть минеральной фракции угля плавится и образует стекловидный зольный остаток, значительная доля которого остается в виде шлака. Тяжелые частицы при этом попадают в золу, однако наиболее легкая часть золы, так называемая «летучая зола», вместе с потоком газов уносится в трубу электростанции. Удельная эффективность золы-уноса повышается с увеличением ее дисперсности. Высокодисперсная зола практически не улавливается оборудованием по очистке газов ТЭС, поэтому дымовые газы являются основным источником загрязнения от действия электростанций.

    Например, в выбросах от Назаровской ТЭС содержатся в среднем 90% U, 76% Th и 60-88% Ra от их исходного содержания. Прибалтийская ТЭС, работающая на сланцах, выбрасывает в атмосферу с дымовыми выбросами до 90% урана, 28-60% радия и до 78% тория. В результате деятельности ТЭС вокруг нее образовалась зона повышенных концентраций ЕРН с радиусом примерно 40 высот труб станции, в которой произошло увеличение концентраций ЕРН для верхнего слоя почвы (3 см) на порядок. Концентрация ЕРН в факеле составляет: радия – до 50 мкБк/м3, тория – до 10 мкБк/м3 и урана – до 100 мкБк/м3 при фоне 1 мкБк в 1 м3 воздуха.

    Суммарный выброс радионуклидов на угольных электростанциях, в среднем, составляет около 1,33∙1010 Бк на 1 ГВт·ч. В табл. 5 приведены среднегодовые выбросы радионуклидов ТЭС США в расчете на 1 ГВт.ч. Видно, что основную долю вносят изотопы радона, которые в сумме дают 1.2∙1010 Бк на каждый ГВт.ч электроэнергии.

    Необходимо отметить, что в продуктах сгорания происходит концентрирование микроэлементов, в том числе и радионуклидов. Степень концентрирования зависит от многих факторов, в число которых входит первоначальная концентрация радионуклидов в угле. Зольность, способ сжигания и условия работы электростанции. Коэффициенты обогащения могут существенно различаться. Особенно интенсивно за счет термохимических процессов накапливается в золе изотоп 210Pb, так что его концентрация увеличивается в 5-10 раз. Известно, что свинец и его соединения токсичны. В частности, попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение.