Особенности радиоэкологического загрязнения

В естественных природных условиях радиационное загрязнение среды, как правило, сочетается с воздействием и других техногенных факторов, прежде всего химического загрязнения. В силу этого вычленить влияние того или иного загрязнения на экосистемные изменения среды бывает крайне сложно, а подчас невозможно, вследствие чего возможны необъективные выводы с последующей разработкой ошибочных теоретических концепций.

Так, исследования, проводившиеся на внепромышленных территориях повышенной радиоактивности в условиях высокогорья, в районах Хиросимы и Нагасаки, а также в запрещенных для заселения и промышленной деятельности районах чернобыльской катастрофы, указывают на бурный рост и большое разнообразие растительного, а в последующем и животного мира по сравнению с нерадиоактивными территориями. Вместе с тем аналогичные радиоактивные загрязнения среды после аварий, происшедших в непосредственной близости от крупнейшего в мире источника техногенной загрязненности среды - Нью-Йорка - и в других аналогичных зонах токсико-химических загрязнений среды, свидетельствуют об обратном - прогрессирующей гибели лесов, обеднении флоры и фауны.

Очевидно, фоновое техногенное химическое загрязнение определяет резервы устойчивости экосистем, их способность противостоять экосистемной деградации под воздействием новейших радиационных метаболитов.

К наиболее агрессивным, устойчивым в среде, накапливающимся в пищевых экологических цепочках с коэффициентом накопления, близким к аналогичным радиационным величинам (103-105 и более), относятся:

· хлорорганические пестициды (ДДТ и его аналоги); полихлорбифенолы (ПХБ);

· тяжелые металлы (особенно ртуть);

· диоксид серы, оксиды азота, 3,4 бенз(а)пирен - массивные газоаэрозольные выбросы от сжигания топлива.

Отличительной особенностью экосистемного поведения загрязнителей этого ряда является их способность при переходе из первичного звена загрязнения в последующие (например, из атмосферы в почву) превращаться в новые, более токсичные формы. Такие особенности ведут, как правило, к непредсказуемым на основании принятых токсикологических моделей последствиям, проявляющимся с большой инерционностью от момента загрязнения, что может вести к необъективным оценкам действующих факторов.

Примером таких откликов экосистем на изменения воздействий может служить водный тепловой выброс: при повышении температуры среды у рыб возрастает потребность в пище, но уменьшается скорость обмена, в результате снижается активность и способность к воспроизводству; подавление обменных процессов ведет к повышению (депонированию) накопления в них типовых загрязнителей среды (особенно метилированной ртути), что вызывает подавление репродукции вида. Параллельно формируется дисбаланс экосистемных процессов, приводящий к последующей медленной эвтрофикации водоема (накоплению биогенных элементов), дисбалансу, завершающемуся бурным развитием водорослей (цветением), дефициту растворенного в воде кислорода и, как следствие, к гибели биоценоза водоема.

Наиболее массивным из перечисленных загрязнителем среды является диоксид серы и обязательно сопутствующие ему оксиды азота, оксид углерода. Время жизни загрязнителя в атмосфере невелико (2-3 ч), с последующим образованием серного ангидрида (SО_з), легко переходящего при взаимодействии с водой в серную кислоту и сульфаты. Каждое последующее соединение в этой цепи реакuий более токсично. Действие загрязнителей в экосистемах начинает проявляться уже при содержании нескольких микрограммов выбросов в метре кубическом. Суммарный ежегодный выброс диоксида серы в атмосферу Земли (по расчетам) составляет 150 млн т. Массивность выбросов SО₂ в атмосферу и образование сульфатов лежат в основе конденсации влаги воздуха, появления мелкодисперсныx аэрозолей, загрязняющих атмосферу, изменения спектра солнечной радиации, климата. Последующее выпадение с осадками и водная миграция сульфатов ведут к закислению водоемов, гибели планктона, резкому снижению воспроизводства рыб, снижению видового разнообразия флоры, фауны.

Пестициды, накапливающиеся в конечных звеньях трофических цепей, у животных, человека (коэффициент накопления = 5·10⁵), как и сульфаты, опасны вследствие не только прямого токсического и подобного радиационному генетического воздействия, но и вторичных эффектов, связанных с нарушением биологического равновесия экосистем. Последнее особенно выражено в действии химически устойчивых пестицидов (группы ДДТ), приведших к гибели либо деградации ряда популяционных звеньев биоценозов. Загрязненность этим ядом достигает 3,9 кг/га. Время его экспоненциального полувыведения из почв в воду - 30 лет. Допустимые концентрации в почвах могут вести к функционально связанным с загрязнённостью почв загрязнениям воздуха, воды в концентрациях, превышающих ПДК. Токсиканты этой группы, включенные в глобальный экосистемный метаболизм, обнаруживаются у моллюсков, рыб, птиц, животных, питающихся рыбой (в том числе в крови пингвинов).

К не менее агрессивным хлорорганическим соединениям относятся полихлорбифенолы (ПХБ), входящие в состав смазочных материалов, гидравлических жидкостей, синтетических смол, попадающие в среду при эксплуатации техники (испарение в атмосферу), со свалок и др. Коэффициент накопления ПХБ в планктоне составляет 104, в организмах рыб достигает 105, птиц и млекопитающих, связанных с водной средой, - 107-108. Токсичность и экосистемная агрессивность ПХБ ставит эти устойчивые хлорорганичные соединения в один ряд с наиболее агрессивными конкурентами в метаболизме всех звеньев экосистем - тяжелыми металлами.

Тяжелые металлы и их соединения, особенно соединения ртути, относятся к загрязнителям, поставившим вопрос о лимитирующей среде: выброс соединений этого ряда в атмосферу ведет, тем не менее, к формированию агрессивных по отношению к человечеству и экосистемам в целом почв, поверхностных вод среды. Ежегодный выброс ртути в атмосферу в виде паров и неорганических соединений металла составляет 5 тыс. т при сжигании твердых топлив и нефти и около 10 тыс. т при переработке минерального сырья. Современное содержание элементов в среде громадно. Отношение техногенного выброса тяжелых металлов к их естественному содержанию в литосфере достигает 4,5·10⁹ для ртути, 6,5·10⁸ для свинца. Общее содержание ртути в наземной биомассе достигает 500 тыс. т.

В биофизический круговорот вовлекается 40000т в год ртути. В вовлечении металла в экосистемный метаболизм активное участие принимают аэробная и анаэробная микрофлоры, преобразуя металлическую ртуть в органическую - метилртуть. Этот пpoцecc приводит к высокой концентрации и накоплению элемента в гидробионтах, рыбе и других морских организмах. Большое значение для биологической трансформации метаболита имеет закисление водоемов, ускоряющее формирование высокотоксичных соединений и их накопление в гидробионтах.

Выброс свинца и его соединений связан с работой металлургических заводов, сжиганием органических топлив тепловых электростанций, выбросом выхлопных газов автомобилей, использующих этилированный бензин. Концентрации свинца в воздухе крупных городов достигают 4,5 мкг/м^З (фоновое содержание свинца в воздухе не превышает 2-40 нг/м^З). Средний глобальный уровень содержания элемента в почвах составляет 17 мг/кг почвы (достигая 70 мг/кг и выше).

Концентрация кадмия в основных типах почв лежит в пределах 0,01-1,4 мг/кг. Сопутствующим выбросу тяжелых металлов, особенно свинца, крайне агрессивным соединением (внеконкурентным канцерогеном) является 3,4 бенз(а)пирен. Максимальная концентрация его в городах достигает 0,1 мкг/м^З, превышая ПДК в зоне автомагистралей в ~ 10 раз.

Биологическая эффективность малоинтенсивных экосистемных воздействий большинства нерадиационных техногенных метаболитов среды и последствия воздействий факторов во многом схожи с аналогичными процессами проведения и формирования реакций от радионуклидов ядерного происхождения.

3.5. Ядерная энергетика и ее воздействие на природную среду.Достоинства ядерной энергетики.Как известно, в атомной энергетике развиваются два направления получения энергии: 1) деление атомных ядер тяжелых элементов (ядерная энергетика), 2) синтез ядер легких элементов (термоядерная энергетика). Доля ядерной энергии в общем объеме вырабатываемой энергии многих развитых стран составляет весьма большую величину, особенно во Франции (79%), Швеции (43%), Южной Корее (43%), Японии (32%). Это прежде всего, кроме Швеции, страны, бедные традиционными энергоресурсами.

Действительно, возможности ядерной энергетики впечатляющи: по энергетической ценности 1000 т угля или 530 т мазута эквивалентны 0,33 кг урана на атомных электростанциях и 45 г дейтерия на термоядерных реакторах. Для выработки 1 кВт/ч энергии затрачивается всего 43,8·10^{-6 г} урана-235, а угля 0,3-0,4 кг. Сейчас в мире эксплуатируется свыше 500 блоков АЭС. По данным МАГАТЭ суммарная мощность АЭС к 2008 г. достигла 600 млн. кВт.

Одной из немаловажных причин (кроме чисто военных) развития атомной энергетики во всем мире (особенно в 60-80 гг. прошедшего века) стали все возрастающие расходы на разведку, добычу и транспортировку традиционных энергоносителей (нефти, угля, газа). В ряде стран эти расходы приблизились к 50% ресурса последних. В то же время широкое применение ядерной энергетики позволяет существенно экономить невозобновляемые энергетические ресурсы, использовать их более рационально. Так, для производства 1 трлн. кВт/ч электроэнергии пришлось бы сжечь на ТЭС 280 млн. т ископаемого топлива. Это сопровождалось бы интенсивным загрязнением природной среды продуктами неполного сгорания топлива, а также золой, диоксидами серы, азота и др.

Вопреки сложившемуся общественному мнению воздействие самих атомных электростанций на окружающую среду относительно невелико: в атмосферу попадает небольшое количество летучих веществ и аэрозолей (строго нормированное) - это тритий, радиоактивные изотопы ксенона, криптона, йода, осколки деления ядер, продукты активации. Газовые выбросы в атмосферу предварительно очищаются от радионуклидов.

Объемы жидких отходов, образующихся на АЭС, могут достигать 100 тыс. м³/год на энергоблок с реактором РБМК-1000 и 40 тыс. м³/год на энергоблоке с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-I000. Объем твердых отходов ежегодно достигает на АЭС 2000-3000 м³. Основным видом твердых отходов является отработанное топливо. Ежегодно заменяют примерно 1/3 действующих тепловыделяющих элементов новыми. Как правило, большая часть твёрдых и жидких радиоактивных отходов (РАО) хранится в специально оборудованных на станции хранилищах.

Недалеко от АЭС всегда создаются города или поселки городского типа (Десногорск при Смоленской АЭС, Припять при Чернобыльской АЭС, Полярные зори при Кольской АЭС и пр.), поэтому прямое воздействие на население ограничено. Что касается персонала, то годовая эквивалентная доза для сотрудников АЭС составляет 4,4 мЗв. Для людей, проживающих в окрестностях станции, она равна примерно 0,02 мЗв/год. Для сравнения фоновое излучение составляет 2 мЗв/год, а доза, получаемая в среднем за год при рентгеновских обследованиях, достигает 0,5-1 мЗв.

По ряду экономических и экологических показателей ядерная энергетика не уступает энергетике на угле, нефти и даже газе. Производство электроэнергии на атомных станциях не сопровождается выбросами в атмосферу диоксида углерода и поэтому не усугубляет проблемы, связанные с парниковым эффектом. Потребление кислорода на ядерных станциях также сведено к минимуму. Для разбавления небольших выбросов АЭС в атмосферу до допустимых концентраций требуется в тысячи раз меньше воздуха в расчете на единицу вырабатываемой энергии, чем при работе обычных тепловых электростанций.

Экологические проблемы ядерной энергетики. Однако есть причины, в том числе и объективные, заставляющие относиться к ядерной энергетике с осторожностью. Накопленный опыт эксплуатации АЭС с реакторами деления выявил ряд их существенных недостатков.

Непрерывное облучение близживущего населения, растений и животных малыми дозами радиации и загрязнение среды радионуклидами. До сих пор идут дискуссии о пороге вредности малых доз радиации, тем более что радионуклиды попадают через пищевой цикл внутрь тела человека, накапливаются там и могут создать опасное внутреннее облучение. Если организмы как-то приспособились к естественным радионуклидам (последние практически не концентрируются в телах растений и животных), то весьма опасные для человека долгоживущие радионуклиды ядерного цикла стронций-90 и цезий-137, будучи по химическим свойствам эквивалентными соответственно кальцию и калию, легко усваиваются растениями и животными. Как следствие, их концентрация в некоторых сельскохозяйственных растениях на один-два порядка превышает концентрацию в зараженной почве.

Необходимость длительного хранения на территории АЭС ядерного топлива, а затем пере работки и захоронения высокотоксичных РАО. С каждым годом их количество, а также шлаков растет. Они сохраняют свою активность в течение многих столетий. Проблема усложняется тем, что коэффициент использования ядерного топлива составляет лишь менее 3--5%, остальное идет в отходы. Уже к 2000 г, годовая выгрузка отработанного ядерного топлива из реакторов, эксплуатируемых в мире, составила около 10 тыс. т, из которых 100 т - масса особо опасных отходов.

Как ни парадоксально, ряд специалистов считает, что захоронение РАО в морских глубинах менее опасно, так как там существуют более благоприятные условия для быстрого рассеивания и нейтрализации радионуклидов и меньше возможностей для захоронения водных организмов, служащих объектами морского промысла. Однако тщательное изучение гидрологического режима глубоких (более 7 км) впадин показало, что обновление глубинных вод океана происходит менее чем за 100 лет, а в ряде случаев подъем воды с глубин свыше 1 км осуществляется всего за 3-4 года. Таким образом, даже сверхглубокие впадины не могут служить достаточно надежным местом захоронения РАО.

К настоящему времени отработаны следующие технологии захоронения РАО: 1) для больших количеств высокоактивных отходов - концентрирование и последующее хранение (посредством остекловывания, бетонирования и последующего склaдирования в глубоких шахтах): 2) для небольших количеств высокоактивных РАО - извлечение долгоживущих изотопов с высокой токсичностью (ядовитостью) перед удалением остаточной активности; 3) для отходов средней степени активности - хранение (например, в специальных бассейнах под водой), по достижению распада короткоживущих изотопов и последующее рассеивание в той или иной среде; 4) для относительно небольших количеств слабоактивных отходов - разбавление (например, водой) и последующее рассеивание в воде морей и океанов. Нет нужды говорить о том, что последний способ экологически опасен.

Существуют и другие, в том числе экзотические (например, выброс РАО в космос) способы хранения радиоактивных отходов. Все они сложны и дорогостоящи. При любом способе хранения РАО должны быть изолированы от биохимического круговорота элементов в биосфере.

АЭС оказывают сильное тепловое воздействие (тепловое загрязнение биосферы) на окружающую среду, особенно на естественные водоёмы. Сброс тепла в окружающую среду от АЭС в 1,5-1,8 раз больше, чем от ТЭС, что объясняется разницей в значениях КПД, равных 30-40%. Расход воды на охлаждение, например, для одной из крупнейших тепловых станций (Конаковской ГРЭС) составляет 70--90 м³/с (сток таких рек, как Южный Буг). Для мощных АЭС этот расход достигает 180 м³/с. Наибольшую опасность представляет охлаждающая АЭС вода, сбрасываемая в природные водоемы при температуре 40-45°С. Такие тепловые сбросы приводят к изменению теплового режима рек и озер и, как следствие, к гибели отдельных водных организмов.

О масштабах теплового загрязнения говорит такой факт. В США наиболее крупном производителе энергии - для охлаждения сбросных вод ТЭС и АЭС потребуется, согласно расчетам, треть стока всех рек страны. Поэтому имеется проект сбрасывать нагретые воды АЭС в море, что также является дальновидным.

Помимо перечисленных недостатков АЭС, следует отметить еще два обстоятельства. Во-первых, крайне опасным является то, что большинство ныне действующих АЭС размещено вблизи крупных городов и вблизи крупных водоемов и рек; некоторые из них находятся в местах, где зафиксированы разломы земной коры. Во-вторых, на сооружение АЭС требуется затратить до 25% стоимости электроэнергии, которую АЭС выработает за время своей работы. В-третьих, продолжительность работы АЭС составляет 40- 50 лет, после чего должен быть произведен демонтаж оборудования, зданий, сооружений, а площадка подвергнута рекультивации. Подсчитано, что на эти работы необходимо затратить средства, вполне соизмеримые со стоимостью строительства самой атомной электростанции.

Указанные экологические проблемы, связанные с «нормальным» функционированием, не идут ни в какое сравнение с последствиями крупномасштабных аварий на АЭС. Только в экономическом аспекте аварии на АЭС «Три Майл Айленд» (США) и на Чернобыльской АЭС обернулись десятками миллиардов долларов прямых убытков и, по-видимому, сотнями миллиардов косвенных.

Страх перед подобными катастрофами резко изменил отношение людей к ядерной энергетике, подорвал доверие к надежности АЭС. США, Япония, Великобритания притормозили строительство новых АЭС, другие страны (Швеция, Австрия) отказались от него совсем и даже постепенно закрывают уже действующие. Понятно, что радиофобия в первую очередь затронула население Беларуси, России и Украины.

Мероприятия по повышению уровня безопасности АЭС. После трагедии Чернобыля были произведены коренные усовершенствования технологий ядерной безопасности многих АЭС, которые позволили вывести их на высокий уровень.

Основная задача в проблеме безопасности АЭС состоит в том, чтобы надежно локализовать осколки деления и продукты их радиоактивного распада как при нормальной эксплуатации, так и при возможных авариях, связанных с повреждением оборудования, неисправностями в системе управления, ошибочными действиями обслуживающего персонала или стихийными бедствиями. Для полной гарантии безопасности обычно предусматривается несколько защитных барьеров. В общем случае их может быть четыре.

Первым барьером служит матрица с распределенными частицами ядерного топлива. Вторым - оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов). Роль, третьего выполняют корпус реактора и контур циркуляции теплоносителя, препятствующие выходу продуктов деления при разгерметизации ТВЭЛов. Наконец, в качестве четвертого барьера могут быть использованы специальные защитные оболочки, исключающие загрязнение атмосферы при разуплотнении корпуса реактора или контура циркуляции теплоносителя. Защитные оболочки - это сплошные железобетонные или металлические сооружения, рассчитанные на снижение давления, удержание радиоактивного пара и улавливание радиоактивных продуктов в случае максимальной проектной аварии (в этом случае предполагается мгновенный разрыв трубопровода наибольшего диаметра. При сооружении АЭС оборудование контура, который при аварии может стать источником распространения радиоактивности, размещается в герметичных боксах, снабженных системами снижения давления пара. Боксы, по существу, решают ту же задачу, что и защитная оболочка.

Решению задачи безопасной эксплуатации подчинена даже архитектура главного здания АЭС, которое скомпоновано по зонам. В зоне строгого режима возможно воздействие на персонал ионизирующего излучения, а также заражение воздуха и поверхностей оборудования радиоактивными веществами.

В зоне свободного режима влияние радиации полностью исключено. Прямое сообщение между зонами невозможно. Доставка материалов, оборудования, приборов в :зону строгого режима осуществляется через отдельные входы и транспортные пути. Люди проходят туда только через санпропускник.

В свою очередь зона строгого режима разбита на помещения постоянного пребывания персонала, полуобслуживаемые (разрешается периодическое пребывание людей во время работы реактора) и необслуживаемые (во время работы реактора вход туда запрещен). Для каждой из этих групп санитарные правила устанавливают индивидуальные допустимые уровни радиационного воздействия. Исследования, проведенные на действующих атомных станциях, показывают, что реализованные при их сооружении меры обеспечения радиационной безопасности создают надежные условия для эксплуатации АЭС в соответствии с требованиями действующих санитарных норм и правил.

Для снижения уровня радиоактивности выбросов АЭС применяют современные технологии фильтрации. Радиоактивные газы погружают в систему очистки, состоящую из аэрозольных, угольных фильтров и газгольдеров, где они выдерживаются до распада короткоживущих радионуклидов и только затем сбрасываются в атмосферу. В месте выброса газов производится постоянное измерение их объема и радиоактивности. Радиационная обстановка воздушной среды контролируется на различных удалениях в радиусе до 60 км от АЭС, причём служба внешней дозиметрии на всех постах проводит, кроме этого, отбор проб почвы, воды и растительности.

На АЭС разрабатываются меры для максимально возможного исключения сброса сточных вод, загрязненных радиоактивными веществами. Так, в водоемы разрешается отводить только строго определённые количество очищенной воды с концентрацией радионуклидов, не превышающей уровень для питьевой воды. В связи с большим расходом воды на охлаждение большое внимание уделяется разработке замкнутых циклов охлаждения и новым способам отвода теплоты, в том числе и воздушно-конденсационными установками.

Однако воздействие АЭС на окружающую среду нельзя рассматривать изолированно от других стадий ядерного топливного цикла (ЯТЦ). ЯТЦ включает следующие взаимосвязанные производства: добычу урановой руды. ее переработку с получением урановых концентратов и гексафторида урана; разделение изотопов (обогащение) урана; изготовление ТВЭЛов; регенерацию отработанного ядерного топлива на радиохимических заводах, хранение, отработку и захоронение отходов высокой и низкой удельной активности; транспортировку топлива и радиоактивных отходов между различными предприятиями ЯТЦ.

С целью повышения экономических показателей работы АЭС, а также для снижения величины рассеиваемой в окружающей среде энергии активно разрабатывается предложение создания крупных комплексов на базе АЭС, в которых будет использоваться «сбросное тепло» электростанций в тепличных хозяйствах для растениеводства, в рыбных водоемах и т. п.

Рассматривая вопрос о перспективах ядерной энергетики, следует объективно оценить данные по разведанным и потенциально извлекаемым запасам энергоносителей. В продолжительной перспективе из всех традиционных энергоносителей человечество может рассчитывать только на уголь и ядерную энергию. Однако широкомасштабное применение АЭС станет возможным только при устранении экологических ограничений, часть которых рассмотрена выше.

В ряде стран основным направлением в обеспечении безопасности АЭС признается размещение их под землей, вместо защиты реакторов прочными оболочками. Уже накоплен в этом плане немалый мировой положительный опыт: под землей размещены ядерные реакторы в Красноярске-26, Чузе (Франция), Халдене (Норвегия), Агесте (Швеция), Луцерне (Швейцария), Гамболдте (США). Кроме того, реальные успехи в области разработки линий электропередач на принципе сверхпроводимости откроют перспективы строительства мощных АЭС в отдаленных и малонаселенных регионах.