Радиоактивное воздействие на биосферу

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.

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.

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.

Летучая зола, выбрасываемая в воздух, представляет большую опасность из-за своей  способности распространяться на значительные расстояния и проникать в легкие человека. Тонкие фракции летучей  золы обогащены различными вредными веществами. Помимо радионуклидов, они  содержат тяжелые металлы и микроэлементы Co, V, Cu, Zn, Cr, Ni, Cd, As, Be.

Рассеивание загрязнений с дымовыми газами происходит на большие площади, поскольку выбросы  ТЭС в атмосферу осуществляются на высоте 100-300 м. В качестве иллюстрации  можно привести следующий факт. В  большинстве случаев зона влияния  промышленных предприятий не превышает 0.5-1.5 км. Вблизи дорог такая зона составляет до 50 м, а нарушение или  даже полная деградация растительного  покрова вблизи ТЭС, особенно работающих на низкокачественных углях, наблюдается  в радиусе 4-15 км. В снежном покрове  в зоне влияния ТЭС, являющимся индикатором  техногенного загрязнения, содержание радионуклидов может достигать  значений: 40K – 22.2-45.3 Бк/л, 226Ra – 4-9 Бк/л, 232Th – 3,4-7,8 Бк/л. Средние выбросы основных радионуклидов, плотность загрязнения  территории и их содержание в атмосфере  в районе расположения номинальной  среднестатистической ТЭС представлены в табл. 5.5.

В табл.5.6 представлена оценка количества радионуклидов поступающих  в атмосферу при сжигании такого угля на ТЭС-1 г. Северодвинска, работающей на угле Интинского месторождения Печорского угольного бассейна. Концентрация урана  в этом угле существенно меньше средних  мировых значений, не превышает кларкового содержания и составляет 0.5-0.7 г/т, тория  – порядка 2.9 г/т.

Как показали проводившиеся по заказу Еврокомиссии исследования, мелкодисперсная угольная пыль ежегодно приводит к смерти около 300 тысяч европейцев. В России дополнительная смертность от проживания вблизи угольных ТЭС оценивается в 8-10 тыс. человек  в год. В то же время, имеющиеся  в разных странах данные свидетельствуют, что по реальному воздействию  на человека атомная промышленность находится во втором десятке вредных  факторов. На первом месте по показателям  профзаболеваний находится угольная промышленность (20-50 заболеваний против 0.4-0.7 в атомной промышленности на 10000 работающих).

Средняя ТЭС  требует около 6 млн. т угля в год. Громадное количество твердых отходов  ТЭС не имеет никакой энергетической ценности, а изготовленное новое  топливо из 50 т ОЯТ, расходуемых  за год, позволяет заместить 2 млн. т  угля, или 1.6 млрд. м3 газа, или 1.2 млн. т  нефти.

Мировая статистика показывает, что добыча этих 6 млн. т  угля обойдется в 24 человеческие жизни  и 90 травм шахтеров.

В то же время, годовая доза дополнительного облучения  для живущих вблизи АЭС почти  в 20 раз меньше среднего естественного  фона на поверхности Земли (1 мЗв/год). Риск от проживания вблизи АЭС оценивается  в 7·10–7 (см. табл. 5.7).

Однако  следует отметить, что только при  нормальной эксплуатации АЭС, они в  экологическом отношении чище тепловых электростанций на угле. При авариях  АЭС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей  и экосистемы. Даже при значительных авариях на электростанциях, таких, например как авария на Саяно-Шушенской  ГЭС, их экологические последствия  носят преимущественно локальный  характер. Этого нельзя сказать об авариях на АЭС. И Чернобыльская  катастрофа, и авария на японских АЭС  в 2011 г. приобрели характер мировых  катастроф. Поэтому право на существование  атомная энергетика имеет только в случае обеспечения предельно  высокого уровня безопасности её предприятий, недопущения какого либо выноса радиоактивных  продуктов из технологического оборудования за пределы, ограниченные технологическими помещениями (барьеры безопасности) при любых обстоятельствах.

5) Полигоны для испытания ядерного  оружия

Официально  известны четыре ядерных полигона, принадлежащие сверхдержавам: Невада (США, Великобритания), Новая Земля (Россия), Моруроа (Франция), Лобнор (Китай). Кроме  того, в СССР интенсивно использовался  Семипалатинский полигон, который  в настоящее время не функционирует. Именно в этих пунктах произведена  основная масса испытательных взрывов  ядерных и термоядерных зарядов. Их насчитывается 2077 (по другим источникам – 1900), из которых 1090 принадлежит США, 715 – СССР, 190 – Франции, 42 – Великобритании, 40 – Китаю.

В результате испытаний ядерного оружия в окружающую среду выброшено около 30 млн. кюри 137Cs и 20 млн. кюри 90Sr. В шестидесятые годы в биосферу попало около 5 т 239Pu. Все это привело к мощной вспышке  глобального радиационного фона. В настоящее время большая  часть радионуклидов, выброшенных  в атмосферу в результате ядерных  испытаний, осела на поверхность  Земли и смыта в океаны.

Трагедия  ядерных полигонов заключается  не только в том, что обширные территории превращены атомными взрывами в «мертвые зоны», которые в обозримом будущем  не могут быть обустроены человеком. Площади полигонов часто используются как пункты захоронения РАО. В  России это особенно это касается архипелага Новая Земля, который  вместе с прилегающими акваториями  Северного Ледовитого океана превращен  в гигантский могильник отработанных реакторов и других частей атомных  кораблей. У Новой Земли затоплены многие тысячи контейнеров с жидкими и твердыми РАО и компонентами отработанных ядерных устройств (рис.5.26).

6) Ядерные взрывы в мирных  целях

Ядерные взрывы производились не только на всем известных  полигонах. Существовало более сотни  других испытательных пунктов, информация о которых в последние годы все больше проникает в литературу. В СССР существовала Программа «Ядерные взрывы для народного хозяйства». Начало ее реализации относится к 1965 г.

В рамках этой программы в СССР с 1965 по 1988 годы было проведено 124 промышленных ядерных  взрыва (рис.5.28) с подрывом 135 зарядов. Из них 130 зарядов взорваны в скважинах, 4 – в штольнях и один заряд  – в шахте. Многие из этих испытательных  пунктов использовались многократно, являясь, по сути дела, испытательными полигонами. Из общего числа этих подземных  ядерных взрывов 119 были камуфлетными (т.е. без выброса радиоактивных  веществ в атмосферу) и 5 – экскавационными (т.е. с выбросом грунта, а, следовательно, и части радионуклидов). Камуфлетные  взрывы преследовали разные цели. В  частности, глубинное сейсмическое зондирование земной коры и литосферы, создание подземных резервуаров  для хранения нефтепродуктов, захоронение  глубоко под землей опасных химических веществ – отходов нефтехимического производства, предупреждение внезапных  выбросов газа и угольной пыли в  шахтах, создание плотин, гашение горящих  газовых факелов и пр.

Мирные  ядерные взрывы производились и  другими странами, но в гораздо  меньших масштабах. Например, США  в период с 1961 по 1973 годы осуществили 27 промышленных ядерных взрывов  с 33 ядерными зарядами.

При производстве камуфлетных взрывов выброса  радионуклидов на дневную поверхность  и в атмосферу не происходило. При экскавационных взрывах и  взрывах для рыхления грунта происходил выход значительного количества радиоактивных продуктов в атмосферу  с образованием радиоактивного облака и последующим разносом радионуклидов  на большие расстояния. Так, при проведении экскавационного взрыва на объекте  «Тайга» (на трассе строительства канала для переброски вод р. Печоры на юг) образовался радиоактивный след длиной 25 км, а радиоактивные продукты фиксировались в скандинавских  странах и даже на территории США.

Объекты подземных  ядерных взрывов долгоживущие. Они  не могут быть уничтожены и являются потенциально опасными источниками  радиации, долгосрочные прогнозы поведения  которых пока отсутствуют. К сказанному следует добавить, что после проведения подземных ядерных взрывов часто  производилось вскрытие радиоактивных  полостей буровыми скважинами для проведения различных научных экспериментов, что приводило к загрязнению радионуклидами (в первую очередь стронцием, цезием и тритием) бурового оборудования и грунта на рабочих площадках. После завершения работ радиоактивный грунт, буровые трубы и другие промышленные отходы закапывались в землю возле устья скважины. Все это создает дополнительную радиационную опасность данных объектов, над которыми должен быть установлен постоянный радиационный контроль.