Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Электроэнергетика является одной из ведущих отраслей эпохи НТР. Ее развитие во многом определяет уровень развития хозяйства в целом.

Большая часть энергии в мире производится тепловыми электростанциями. Второе место принадлежит ГЭС, на третьем месте -- атомная энергетика, однако в разных странах доли разных типов электростанций сильно отличаются. Так, в Польше почти вся электроэнергия производится на ТЭС, в Норвегии -- на ГЭС, а во Франции электроэнергетика на 3/4 базируется на АЭС.

В марте 2011 года в 30 странах мира действовали 443 атомных реактора, вырабатывая нетто 378 ГВт энергии в год (14% общемировых потребностей в энергии). Больше всего реакторов в США -- 104, установленная мощность АЭС составляет 90 млн кВт, на втором месте Франция (58 реакторов), на третьем Япония (55 реакторов). Россия (32 реактора) занимает четвертую строчку, с мощность АЭС более 22 млн кВт.

В противоречии со сложившимся общественным мнением, экспертами всего мира атомные станции признаны наиболее безопасными и экологически чистыми по сравнению с прочими традиционными способами производства энергии. Кроме того, уже разработано и устанавливается новое поколение ядерных реакторов, приоритетным для которого является полная безопасность эксплуатации.

Есть достаточно много преимуществ атомных электростанций. Они всецело не зависят от мест добычи урана. Ядерное топливо компактно, срок его использования довольно длителен. АЭС ориентированы на потребителя и становятся востребованы в тех местах, где существует острая нехватка органического топлива, а потребности в электроэнергии сильно эпохальны. Вновь одним их достоинством является небольшая стоимость полученной энергии, относительно незначительные затраты на строительство.

Выбранная тема является актуальной, особенно в связи с последними событиями в мире. Несмотря на то, что атомные станции наносят урон окружающей среде, особенно при аварийных ситуациях, они являются незаменимыми в настоящее время.

Работая в штатном режиме, атомные станции непосредственно наносят ущерб природной среде, но в сравнении с теплоэлектростанциями этот ущерб незначителен.

Таким образом, цель курсовой работы -- выявить влияние работы атомных станций на окружающую природную среду.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Рассмотреть общие сведения об атомных станциях, включая историю развития, классификацию, принцип работы;

2. Определить воздействие атомных станций на окружающую среду;

3. Изучить проблему радиоактивных отходов атомных станций и методы обращения с ними.

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТОМНЫХ СТАНЦИЯХ

1.1 История развития ядерной энергетики и атомных станций

20 декабря 1951 года, ядерный реактор впервые в истории произвел пригодное для использования количество электроэнергии -- в нынешней Национальной Лаборатории INEEL Департамента энергии США. Реактор выработал достаточную мощность, чтобы зажечь простую цепочку из четырех 100-ваттных лампочек.

Первая в мире атомная электростанция мощностью 5 МВт была запущена 27 июня 1954 года в СССР, в городе Обнинск, расположенном в Калужской области. В 1958 была введена в эксплуатацию 1-я очередь Сибирской АЭС мощностью 100 МВт (полная проектная мощность 600 МВт). В том же году развернулось строительство Белоярской промышленной АЭС, а 26 апреля 1964 генератор 1-й очереди дал ток потребителям. В сентябре 1964 был пущен 1-й блок Нововоронежской АЭС мощностью 210 МВт. Второй блок мощностью 350 МВт запущен в декабре 1969. В 1973 г. запущена Ленинградская АЭС. За пределами СССР первая АЭС промышленного назначения мощностью 46 МВт была введена в эксплуатацию в 1956 в Колдер-Холле (Великобритания).Через год вступила в строй АЭС мощностью 60 МВт в Шиппингпорте (США).Мировыми лидерами в производстве ядерной электроэнергии являются: США (788,6 млрд кВт·ч/год), Франция (426,8 млрд кВт·ч/год), Япония (273,8 млрд кВт·ч/год), Германия (158,4 млрд кВт·ч/год) и Россия (154,7 млрд кВт·ч/год).На начало 2004 года в мире действовал 441 энергетический ядерный реактор, российское ОАО «ТВЭЛ» поставляет топливо для 75 из них.

Крупнейшая АЭС в мире Касивадзаки-Карива по установленной мощности (на 2008 год) находится в Японском городе Касивадзаки префектуры Ниигата -- в эксплуатации находятся пять кипящих ядерных реакторов (BWR) и два продвинутых кипящих ядерных реакторов (ABWR), суммарная мощность которых составляет 8,212 ГигаВатт. 6

1.2 Определение, классификация и принцип работы атомных станций

Атомная станция (АС) -- комплекс технических сооружений, предназначенных для выработки электрической энергии путем использования энергии, выделяемой при контролируемой ядерной реакции.

Классификация атомных станций

Атомные станции по виду отпускаемой энергии можно разделить на:

1. Атомные электростанции (АЭС);

2. Атомные теплоэлектроцентрали (АТЭЦ);

3. Атомные станции теплоснабжения (АСТ).

Атомные электростанции -- это станции, предназначенные для выработки только электроэнергии.

В качестве распространенного топлива для атомных электростанций применяется U -- уран. Реакция деления осуществляется в основном блоке атомной электростанции -- ядерном реакторе. При цепной реакции деления ядерного вещества выделяется значительное количество тепловой энергии, используемое для генерации электроэнергии. 3

Существует несколько типов ядерных реакторов. Наибольшее распространение получили три основных типа реакторов, различающихся, главным образом, топливом, теплоносителем, применяемым для поддержания нужной температуры активной зоны, и замедлителем, используемым для снижения скорости нейтронов, выделяющихся в процессе распада необходимых для поддержания цепной реакции.

Среди них первый и наиболее распространенный тип -- это реактор на обогащенном уране, в котором и теплоносителем, и замедлителем является обычная, или «легкая» вода (легководный реактор). Существуют две основные разновидности легководного реактора: реактор, в котором пар, вращающий турбины, образуется непосредственно в активной зоне (кипящий реактор, в России -- РБМК -- реактор большой мощности, канальный), и реактор в котором пар образуется во внешнем или втором контуре, связанным с первым контуром теплообменника и парогенератора (водо-водяной энергетический реактор - ВВЭР).

Рисунок 1.1 -- Схема работы атомной электростанции

На рисунке 1.2 показана схема работы атомной электростанции с двухконтурным водо-водяным энергетическим реактором. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора, передаётся теплоносителю первого контура. Далее теплоноситель поступает в теплообменник (парогенератор), где нагревает до кипения воду второго контура. Полученный при этом пар поступает в турбины, вращающие электрогенераторы. На выходе из турбин пар поступает в конденсатор, где охлаждается большим количеством воды, поступающим из водохранилища.

Второй тип реактора -- газоохлаждаемый реактор (с графитовым замедлителем).

Третий тип реактора, -- это реактор, в котором и теплоносителем, и замедлителем является тяжелая вода, а топливом природный уран.

Существует также реактор на быстрых нейтронах (БН).

Принцип работы. При делении ядер урана образуются быстрые нейтроны. Скорость деления -- цепная реакция, на АЭС регулируется замедлителями: тяжелой водой или графитом. Нейтроны содержат большое количество тепловой энергии. Через теплоноситель энергия поступает в парогенератор. Пар высокого давления направляется в турбогенераторы. Полученная электроэнергия идет на трансформаторы и далее на распределительные устройства. Часть электроэнергии направляется на обеспечение собственных потребностей станции. Избытки тепла АЭС направляются на градирни --специальные охладительные башни. В случае невозможности использования большого количества воды для конденсации пара, вместо использования водохранилища. 5

Атомная теплоэлектроцентраль -- атомная электростанция, предназначенная для производства электрической энергии и тепла. В настоящее время в России действует только одна атомная теплоэлектроцентраль -- Билибинская АЭС.

По схеме стационарной атомной теплоэлектроцентрали была создана Билибинская АТЭЦ с четырьмя блоками электрической мощностью по 12 МВт. Технологическая схема Билибинской АТЭЦ была упрощена (без перегрева пара и с естественной циркуляцией теплоносителя), что позволило обеспечить надежное энергоснабжение изолированной энергосистемы.

Проектом атомной теплоэлектростанции (АТЭС) малой мощности на базе плавучего энергоблока (ПЭБ) с двумя реакторными установками КЛТ-40С вплотную занялись с 1994 года. К тому времени проект плавучей АЭС был наиболее проработан, а используемая в нем реакторная установка являлась усовершенствованной модификацией реактора, широко используемого в отечественном ледокольном флоте.

Помимо ПЭБа, в состав АТЭС малой мощности входят гидротехнические сооружения для установки ПЭБа у берега и береговые сооружения и устройства, обеспечивающие распределение и передачу электрической и тепловой энергии потребителям. При суммарной тепловой мощности реакторов 300 МВт энергоблок способен выдавать 70 МВт электрической мощности. Атомная теплоэлектростанция имеет два назначения: она способна обеспечить не только электричеством, но и теплом город с населением 15000-20000 человек. Для этого достаточно предусмотреть теплотрассу и специальный пирс со стандартной системой коммуникаций.

Атомные станции теплоснабжения -- атомная станция, вырабатывающие только тепловую энергию.

Создание атомных станций теплоснабжения стало специфическим этапом в ядерной энергетике. Его содержанием стала разработка качественно новых подходов в обеспечении безопасности атомных станций и создание на базе этих подходов ядерной установки для теплоснабжения крупных жилых агломераций. В конце 80-х годов сооружение двух таких станций было близко к завершению под Нижним Новгородом и Воронежем, но волна антиядерных настроений остановила их строительство. Парадоксальность ситуации состоит в том, что использованные в этих проектах свойства самозащищенности реактора и пассивные системы и средства безопасности составляют сегодня основу безопасности новых поколений станций следующего столетия во всем мире. Детальное изучение этого проекта экспертами из 13 стран в 1988 году подтвердило высокую безопасность установки. Общая концепция ACT была разработана в 1975-1978 годах, и первоначальный срок пуска блоков был ориентирован на 1985 год. 7

ГЛАВА 2 ТЕХНОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных станций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АС на объекты окружающей среды. Наиболее существенные факторы:

ь локальное механическое воздействие на рельеф -- при строительстве,

ь повреждение особей в технологических системах -- при эксплуатации,

ь сток поверхностных и грунтовых вод, содержащих химические и радиоактивные компоненты,

ь изменение характера землепользования и обменных процессов в непосредственной близости от АС,

ь изменение микроклиматических характеристик прилежащих районов. 8

2.1 Загрязнение растительного и животного мира

Если исключить взрывы атомных устройств и аварийные ситуации, то основным источником радиационного воздействия на биосферу являются предприятия ядерного топливно-энергетического цикла (ЯТЦ) в штатном режиме.

Известны следующие виды воздействия ЯТЦ на окружающую среду:

ь Расход природных ресурсов (земельные угодья, вода, сырье для основных фондов ЯТЦ и т.д.);

ь Тепловое загрязнение окружающей среды;

ь Радиоактивное загрязнение окружающей среды.

Важнейшей особенностью ЯТЦ является то, что в процессах производства энергии на АС и переработки отработанного топлива образуется большое количество опасных искусственных радионуклидов. Основная часть радиоактивных отходов имеет высокую удельную активность. Некоторые из радионуклидов имеют значительные (от сотен до миллионов и более лет) периоды полураспада. Это предопределяет необходимость надежной изоляции высокоактивных отходов от биосферы.

Наиболее значимый вклад в загрязнение биосферы дают долгоживущие радионуклиды углерод-14, криптон-85, йод-129. Это обусловлено высокой миграционной способностью, приводящей к их рассеиванию на большие расстояния за время, меньше периодов полураспада.

Радиоактивное загрязнение биосферы, попадание радиоактивных веществ (РВ) в живые организмы и среду их обитания (атмосферу, гидросферу, почву), происходящее в результате ядерных взрывов, удаления в окружающую среду радиоактивных отходов, разработки радиоактивных руд, при авариях на атомных предприятиях и т.д.

Радиоактивное загрязнение вызывается продуктами деления ядер (например, стронций-90, цезий-137, церий-144), наведёнными радиоактивными нуклидами (тритий, натрий-24, железо-59, кобальт-60, цинк-65 и др.), естественно-радиоактивными тяжёлыми металлами (уран, торий, радий и др.) и искусственными трансурановыми элементами (плутоний, америций, кюрий и др.).

Попадая в реки, озёра, моря и океаны, РВ поглощаются водными растениями и животными как непосредственно из воды, так и из предыдущего звена пищевой цепи: из водорослей РВ переходят в зоопланктон, для которого водоросли служат пищей, а затем -- в организм моллюсков, ракообразных, рыб. С поверхности почвы через корни и из атмосферных выпадений через листья РВ поступают в растения и, продвигаясь по пищевым цепям, а также с питьевой водой, -- в организм животных, в том числе сельскохозяйственных, а вместе с их мясом и молоком -- в организм человека (в частности, стронций-90, попадая в организм человека с овощами или молоком, может накапливаться в костной ткани, особенно у детей).

При поглощении РВ растениями или животными обычно происходит значительное повышение их концентрации в биологических объектах по сравнению с содержанием РВ в окружающей среде. Организмы, которые накапливают те или иные РВ в особенно высоких концентрациях, называют «биоиндикаторами радиоактивного загрязнения» так, водоросль кладофора особенно интенсивно накапливает иттрий-91, а моллюск большой прудовик -- стронций-90.

Что касается влияния на человека РВ, то, например, цезий-137, попадая в организм, вызывает саркому (одна из разновидностей раковых заболеваний). Другой радионуклид стронций-90 может замещать кальций в твердых тканях и грудном молоке. Что ведет к развитию рака крови (лейкемии), раку кости и раку груди. А малые дозы облучения криптоном-85 повышают вероятность заболевания раком кожи.

Организм человека, при поступлении продуктов ядерного деления, подвергается длительному, убывающему по интенсивности, облучению.

Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень. Дозы, поглощенные в них, на 1-3 порядка выше, чем в других органах и тканях.

При переходе от одного организма к другому происходит изменение содержания РВ. Например, концентрация цезий-137 возрастает в цепи лишайники -- мышцы оленей -- мышцы, а концентрация стронций-90 в этой же цепи уменьшается.

Биологическое накопление свойственно и зеленым растениям, которые, аккумулируя определенные химические элементы, изменяют окраску хвои, листьев, цветков и плодов. Это иногда служит, индикаторным признаком, при поисках полезных ископаемых. Например, береза и осина в Восточной Сибири накапливает в своей древесине значительные, содержания стронция-90, что приводит к появлению необычной окраски -- неестественно зелёного цвета. Сон-трава на южном Урале аккумулирует никель, поэтому ее околоцветник вместо фиолетового цвета становится белым, что указывает на высокие концентрации никеля в почве. В ареале рассеяния урановых месторождений лепестки иван-чая вместо розовых становятся белыми и ярко-пурпуровыми, у голубики плоды вместо темно-синих становятся белыми и т.д.

На радиоактивное загрязнение различных элементов биосферы влияют химическая форма и физическое состояние РВ, температура и химический состав окружающей среды, а также другие факторы. Заключение в Москве Договора о запрещении испытаний ядерного оружия 1963 в атмосфере, космосе и под водой способствовало уменьшению радиоактивного загрязнения. Вместе с тем возрастающая роль ядерной энергетики ставит новые проблемы защиты от радиоактивного загрязнения, связанные с возможным увеличением в окружающей среде искусственных РВ. Установлено, что хранение контейнеров с РВ на дне океанов не является надёжным, т.к. такие контейнеры относительно быстро разрушаются. Уже в 1957 опыт Окриджской национальной лаборатории в США показал, что РВ, сброшенные в старые шахты, нередко мигрируют на значительные расстояния.

2.2 Загрязнение атмосферы

Катастрофический ущерб, как современникам атомного века, так и последующим поколениям на Земле может причинить радиоактивное загрязнение атмосферы. Радиоактивность атмосферы -- содержание в атмосфере радиоактивных примесей природного и искусственного происхождения.

Проблема радиоактивного загрязнения воздуха возникла в 1945 г. после взрыва атомных бомб, сброшенных американскими самолетами на японские города Хиросиму и Нагасаки. Радиоактивные вещества попадают в атмосферу тремя путями: в результате естественной радиоактивности; радиоактивности, связанной с работой атомных установок, и в результате ядерных взрывов.

Естественная радиоактивность присуща атмосфере, она существует в природе постоянно и не зависит от деятельности человека. Живые организмы приспособились к ней, и она не вызывает вредного действия.

Вызывает серьезное беспокойство другой путь поступления радиоактивных веществ в атмосферу -- из антропогенных источников: повышение в природной среде уровня ионизирующей радиации, накапливающейся в результате производства ядерной электроэнергии, испытания ядерного оружия, использования в различных отраслях хозяйства радиоизотопов.

Значительная часть радиоактивных веществ, образующихся при ядерных взрывах, при авариях на атомных станциях и предприятиях, проникая сначала в стратосферу, где с воздушными течениями распространяется на большие расстояния. С воздушными течениями радиоактивные вещества могут мигрировать на сотни и тысячи километров.

Крупные градирни в системе охлаждения конденсаторов электростанций существенно увлажняют микроклимат в районе станций, способствуют образованию низкой облачности, туманов, снижению солнечной освещенности, вызывают моросящие дожди, а в зимнее время -- иней и гололед. Взаимодействие выбросов с туманом приводит к образованию устойчивого сильно загрязненного мелкодисперсного облака -- смога, наиболее плотного у поверхности земли. Одним из видов воздействия станций на атмосферу является всё возрастающее потребление воздуха, необходимого для сжигания топлива.

Так, работа АС не влияет на содержание кислорода и углеродного газа в атмосфере, не меняет её химического состояния. Основными факторами загрязнения окружающей среды здесь выступают радиационные показатели. Радиоактивность контура ядерного реактора обусловлена активизацией продуктов коррозии и проникновением продуктов деления в теплоноситель, а также наличием трития. Наведенной активности подвергаются практически все вещества, взаимодействующие с радиоактивными излучениями. Прямой выход радиоактивных отходов ядерных реакций в окружающую среду предотвращается многоступенчатой системой радиационной защиты. 9

Опасность ядерной энергетики лежит не только в сфере аварий и катастроф. Даже без них около 250 радиоактивных изотопов попадают в окружающую среду в результате работы ядерных реакторов. Эти радиоактивные частицы вместе с водой, пылью, пищей и воздухом попадают в организмы людей, животных, вызывая раковые заболевания, дефекты при рождении, снижение уровня иммунной системы и увеличивают общую заболеваемость населения, проживающего вокруг ядерных установок.

Радиация опасна и в низких дозах, так как может повреждать молекулы ДНК, т. е. генетический материал организма. Деление клеток с такой измененной (мутантной) ДНК иногда становится бесконтрольным и ведет к развитию злокачественных опухолей. Облучение яйцеклетки или сперматозоидов чревато врожденными дефектами у потомства. Все эти воздействия долгие годы могут никак не проявляться внешне. Основная опасность ядерных установок и заключается в том, что слабые дозы облучения, незаметно воздействуя на людей, повышают возможность возникновения у них раковых заболеваний и рождения неполноценного потомства. 11

Даже в условиях безаварийности работы АЭС ее технология и продукты отходов представляют исключительную опасность для жизни. На некоторых АЭС при определенных режимах работы ядерных реакторов может образовываться плутоний (с содержанием изотопа-239 свыше 90%), который может быть использован для ядерного оружия. «Оружейный» уран содержит изотоп-235 более 90%, а слабообогащенный уран для АЭС -- до 5% этого изотопа урана, что не уменьшает его опасности для организма. Если при дыхании в организм человека попадает 10 мкг плутония-239, то человек неизбежно заболевает раком легких; плутониевый шар величиной с грейпфрут потенциально содержит такое количество радиоактивного излучения, что его достаточно, чтобы уничтожить почти все население планеты без всякого взрыва (при сохранении нынешних темпов развития атомной энергетики через 100 лет должны добывать миллионы килограммов этого материала). 12

Даже когда АС работает нормально, она обязательно выбрасывает изрядное количество радиоактивных изотопов инертных газов. Также как радиоактивный йод концентрируется в щитовидной железе, вызывая ее поражение, радиоизотопы инертных газов, в 70-е годы, считавшиеся абсолютно безвредными для всего живого, накапливаются в некоторых клеточных структурах растений хлоропластах, митохондриях и клеточных мембранах. После установления этого факта, остается слово «инертные» всегда употреблять в кавычках, поскольку, конечно же, они оказывают серьезное влияние на процессы жизнедеятельности растений.

Радиоизотопы «инертных» газов вызывают и такой феномен как столбы ионизированного воздуха (свечки) над АС. Эти образования могут наблюдаться с помощью обыкновенных радиолокаторов на расстоянии в сотни километров от любой АС. Кто сможет утверждать, что все это никак не сказывается на состоянии и качестве окружающей среды, на миграционных путях птиц и летучих мышей, на поведении насекомых?

Одним из основных выбрасываемых инертных газов является криптон-85. Уже сейчас ясна его роль в изменении электропроводности атмосферы. Количество криптона-85 в атмосфере (в основном за счет работы АЭС) увеличивается на 5 % в год. Уже сейчас количество криптона-85 в атмосфере в миллионы раз выше, чем до начала атомной эры. Этот газ в атмосфере ведет себя как тепличный газ, внося тем самым вклад в антропогенное изменение климата Земли.

Нельзя не упомянуть и проблему другого газа, образующегося при всякой нормальной работе АЭС, трития, или радиоактивного водорода. Доказано, что он легко связывается с протоплазмой живых клеток и тысячекратно накапливается в пищевых цепочках.

Еще один радиоактивный газ, не улавливаемый никакими фильтрами и в больших количествах производимый всякой АС, углерод-14. Есть основания предполагать, что накопление углерода-14 в атмосфере ведет к резкому замедлению роста деревьев. Такое необъяснимое замедление роста деревьев, по заключению ряда лесоводов, наблюдается, чуть ли не повсеместно на Земле. Сейчас в составе атмосферы количество углерода-14 увеличено на 25% по сравнению с до атомной эрой.

Но главная опасность от работающих АС -- загрязнение плутонием. На Земле было не более 50 кг этого сверхтоксичного элемента до начала его производства человеком в 1941 году. Сейчас глобальное загрязнение плутонием принимает катастрофические размеры: атомные реакторы мира произвели уже много сотен тонн плутония -- количество более чем достаточное для смертельного отравления всех живущих на планете людей. Плутоний крайне летуч: стоит пронести образец через комнату, как допустимое содержание плутония в воздухе будет превышено. У него низкая температура плавления - всего 640°С. Он способен к самовозгоранию при наличии кислорода. 4

Атомные станции не выбрасывают в атмосферу дымовых газов. На АС отсутствуют отходы в виде золы и шлаков. Проблемы на атомных станциях -- это избыточные количества тепла и хранение радиоактивных отходов. Что бы защитить людей и атмосферу от радиоактивных выбросов на атомных станциях принимают специальные меры:

ь улучшение надежности оборудования АС;

ь высокие требования к квалификации персонала;

ь защита и охрана от внешних воздействий.

2.3 Загрязнение вод

Открытые водоемы. Расход воды предприятий атомных станций обусловлен необходимостью охлаждения технологического оборудования и применения в технологиях. Максимальное водопотребление на единицу электроэнергии приходится на охлаждение оборудования АЭС и предприятия по обогащению изотопов урана.

В атомных станциях энергетический (пароводяной) цикл осуществляется по схеме: парогенератор -- турбина -- конденсатор -- парогенератор. В конденсаторах происходит превращение отработавшего пара в воду, в результате чего возникает необходимость отвода большого количества тепла.

Для рассеивания тепла, поступающего от электростанции, применяются прямоточные (при сбросе подогретой воды в реки или прибрежные участки морей и крупных водоемов) или оборотные системы водоснабжения (при использовании охлаждающей воды в прудах-охладителях и внутренних водоемах или испарительных башнях-градирнях).

Температура воды является важным абиотическим фактором среды, управляющим структурой и метаболизмом экосистемы. Сброс подогретых вод приводит к существенному изменению физико-химических свойств воды: плотности, вязкости, поверхностного натяжения, растворимости газов, давления водяного пара. Вследствие увеличения испарения происходит изменение водного баланса водоема-охладителя. Плотность и вязкость нагретой воды отличаются от свойств более холодной воды принимающего бассейна, поэтому они перемешиваются постепенно. Теплая вода охлаждается либо вокруг места слива, либо в смешанном потоке, текущем вниз по течению реки. Поступающая вода является основным источником дополнительного тепла в водоеме, который называют «тепловым загрязнением».

Тепловые сбросы имеют место на всех стадиях ЯТЦ, достигая максимальных значений на АС. Тепловые сбросы АС вносят вклад в антропогенное поступление тепла в биосферу и в приближение к предельно допустимому уровню антропогенных сбросов тепловой энергии, равному в среднем 2 Вт/м². Этот предел рассчитан из принципа недопущения изменения среднегодовой температуры на 1°С.

Мощные электростанции заметно нагревают воды в реках и бухтах, на которых они расположены. Летом, когда потребность в электрической энергии для кондиционирования воздуха очень велика и ее выработка возрастает, эти воды часто перегреваются. Понятие «тепловое загрязнение» относится именно к таким случаям, так как избыточное тепло уменьшает растворимость кислорода в воде, ускоряет темпы химических реакций и, следовательно, влияет на жизнь животных и растений в водоприемных бассейнах.

Существуют яркие примеры того, как в результате повышения температуры воды погибали рыбы, возникали препятствия на пути их миграций, быстрыми темпами размножались водоросли и другие низшие сорные растения, происходили несвоевременные сезонные изменения водной среды.

Важным следствием дополнительного теплового сброса для ряда водоемов является практически круглогодичная устойчивая плоскостная стратификация, из-за которой ухудшаются условия вертикального перемешивания вод и возникает дефицит кислорода в придонной области. Однако сброс подогретых вод не всегда приводит к ухудшению кислородного режима в толще воды из-за интенсивного аэрирования при водосбросе, что компенсирует эффект понижения растворимости и повышения потребления кислорода с увеличением температуры. Повышение температуры воды оказывает значительное воздействие на биологические процессы в водоеме: ускоряется разложение органических остатков, усиливается дыхание рыб, и других водных организмов -- все эти процессы связаны с быстрым потреблением кислорода и созданием заморных зон в отдельных частях водоема. Повышенная температура стимулирует зарастание мелководных водоемов водной растительностью, могут также наблюдаться вспышки цветения водорослей.

Хотя против употребления термина «тепловое загрязнение» имеются и возражения, поскольку повышение температуры воды иногда приводит к благоприятным экологическим последствиям. В некоторых случаях увеличивались уловы рыбы, продлевался вегетационный период, и прослеживались иные благоприятные последствия. Поэтому для более корректного употребления термина «тепловое загрязнение» необходимо иметь гораздо больше информации о влиянии дополнительного тепла на водную среду в каждом конкретном месте. 12

Радиационная обстановка техногенного происхождения в речной зоне -- загрязнение дна, берегов и островов искусственными радионуклидами -- в результате нормативных и, возможно, аварийных сбросов в реки загрязнённых вод атомных станций.

Известно, что радиация разрушает ткани растений и животных, приводит к генетическим мутациям, бесплодию, а при достаточно высоких дозах -- к гибели. Механизм воздействия радиации на живые организмы до сих пор окончательно не выяснен, отсутствуют и эффективные способы смягчения или предотвращения негативных последствий. Но известно, что радиация накапливается, т.е. повторяющееся облучение малыми дозами может, в конечном счете, действовать так же, как и однократное сильное облучение.

Способность речных вод к самоочищению объясняется постоянной сменой масс воды, выпадением взвешенных радиоактивных частиц на дно водоемов и, частично, процессами сорбции находящихся в растворенном состоянии радионуклидов мелкодисперсными взвешенными и донными минералами и органическими веществами. Во время половодий происходит обратный процесс - перевод высокоактивных донных осадков во взвешенное состояние, что приводит к многократному возрастанию радиоактивности речных вод.

По степени радиоактивного загрязнения компоненты водных экосистем располагаются в следующем порядке: донные отложения -- гидробионты -- вода.

Если для воды и, в меньшей степени, взвесей характерно со временем уменьшение содержания цезия-137 и стронция-90, то в донных отложениях и водной растительности имеет место повышение их концентрации.

Процесс радионуклидного загрязнения непроточных водоемов происходил, как и для рек, за счет аэрозольного выпадения на водную поверхность и смыва с площадей водосбора. Из-за ограниченного водообмена системы озерного типа к настоящему времени по уровню загрязнения пришли практически в равновесное состояние при выраженных сезонных колебаниях концентраций радионуклидов в воде и в растительных и животных организмах (биоте).

В озерах радионуклиды приемущественно сосредоточены в донных отложениях и биоте. Накопление радионуклидов в водной растительности с ежегодным ее отмиранием при отсутствии стока приводит к увеличению их аккумуляции в донных отложениях. Это обусловливает сохранение достаточно высокого уровня содержания радионуклидов в компонентах водных систем замкнутого типа.

Для озерных водных систем, расположенных в загрязненной зоне и выведенных из антропогенного процесса, проявляется тенденция к их зарастанию за счет неуправляемого роста биоты различных экологических групп. Это способствует в определенной мере процессу очищения воды от цезия-137 и стронция-90 при одновременном возрастании радиоактивности донных отложений.

Основными факторами, определяющими в будущем загрязнение поверхностных вод, является поступление радионуклидов с площадей водосборов, а также процессы биологического круговорота в водных системах и дальнего руслового переноса. В силу этих причин и распада радионуклидов плотность радиоактивного загрязнения водотоков, а также водосборов будет постепенно снижаться. В процессе выноса цезия-137 и стронция-90 из прибрежных ландшафтов более четко проявится тенденция возрастания различий их поступления в открытые водоемы за счет большей подвижности стронция. Менее загрязненные прибрежные территории, находящиеся вниз по течению, могут дополнительно загрязняться радионуклидами благодаря вторичным процессам переноса, особенно проявляющимся во время обильных дождей, половодий и паводков. Для замкнутых и слабопроточных водных систем озерного типа и далее будет происходить сток радионуклидов с ближайших территорий в котловины водоемов. Удельные активности поверхностных вод стабилизируются с колебаниями в периоды, связанные с экстремальными ситуациями (засухи, паводки, дожди).

При эксплуатации АС в водоем-охладитель поступают химические загрязнители: смазочные материалы, тяжелые металлы (Са, Ni, Cr и другие продукты коррозии), кислоты, щелочи, фосфаты и др. В водоем могут поступать также бытовые стоки от населенных пунктов, расположенных на берегу водоема-охладителя.

Важно отметить, что воздействие самой АС может быть весьма малым, однако находящиеся в регионе промышленные и сельскохозяйственные объекты обычно сбрасывают значительные количества биогенных элементов и токсикантов (металлов, нефтепродуктов, пестицидов и пр.). В сочетании с тепловым сбросом от АС это приводит к нарушению экологического равновесия, например, эвтрофикации.

С другой стороны, именно в водоемах-охладителях процессы эвтрофикации могут нанести максимальный экономический ущерб. «Цветения» фитопланктона и зарастание высшей водной растительностью являются одними из основных причин возникновения биопомех в работе АС и даже могут стать причиной возникновения чрезвычайной ситуации в системе ее водоснабжения. По этой причине весьма актуальна разработка эффективных мер, направленных на предотвращение эвтрофирования водоемов-охладителей.

Что же касается аварии АС в Японии, то концентрация радиоактивного йода-131 в морской воде в районе японской аварийной АЭС "Фукусима-1" превышает установленную норму в 147 раз. Также известно, что концентрация радиоактивного йода в морской воде в восьми километрах к югу от АЭС "Фукусима-1" превышала норму в 80,3 раза. Замеры в 16 километрах южнее станции показали превышение нормы в 16,4 раза.

Уровень цезия-134 и цезия-137 также вырос в четыре раза. Тем не менее, данные показатели гораздо ниже значений, зафиксированных во время первоначальной утечки.

По утверждениям властей, повышение уровня радиации опасности для здоровья по-прежнему не представляет. С мнением правительства согласны многие ученые. Тем не менее, чтобы предотвратить отрицательные последствия утечки, сотрудники станции продолжают сбрасывать в море цеолит, минерал, способный поглощать радиоактивный цезий. 13

Подземные воды. Подземные воды (особенно верхних, неглубоко залегающих, водоносных горизонтов) вслед за другими элементами окружающей среды испытывают загрязняющее влияние. Подземные воды страдают от загрязнений при добыче урановых руд, а также в результате работы АС.

Происходит ухудшение качества воды в результате подтягивания некондиционных природных вод при нарушении режима эксплуатации водозаборов. Площади очагов загрязнения подземных вод достигают сотен квадратных километров.

Загрязнение тритием грунтовых вод прослеживается практически вокруг всех АС. Ничего хорошего от замещения части молекул воды в живых организмах тритием ждать не приходиться. Когда тритий распадается (период полураспада 12,3 года), он превращается в гелий и испускает сильное бета-излучение. Эта трансмутация особенно опасна для живых организмов, так как может поражать генетический аппарат клеток.

атомная станция загрязнение радиоактивный

2.4 Загрязнение земель

В период инженерной подготовки территории и строительства АС неизбежно негативное воздействие на окружающую среду. Происходят непосредственные изменения ландшафтного облика самой площадки строительства и сопредельных территорий, изменения растительного покрова, запыление воздуха, выбросы сварочных аэрозолей, сгоревших нефтепродуктов, окиси углерода, окислов азота и серы, аэрозолей свинца, углеводородов. Выбросы в атмосферу определяются, в основном, производством при строительных работах, объектами стройбазы и транспорта.

Воздействие на почвы, растительность, животный мир района в период строительства АС будет проявляться в виде трансформации земельных угодий, незначительного загрязнения воздушной и водной среды, почв и всех составляющих экосистем, прямых и опосредованных нарушений ландшафтных элементов и компонентов экосистем, складирования строительных и бытовых отходов, повышенной рекреационной нагрузки в районе строительства и т.д.

Также значительный урон окружающей среде наносится при добыче и переработке урановой руды. При этом отчуждаются значительные земельные площади для размещения пустой породы. На каждый Гвт (эл.) энергии, получаемой на атомной станции, образуется несколько миллионов тонн пустой породы.

Большая часть земельных угодий, расходуемых при переработке руды, приходится на пруды-хвостохранилища, куда поступает около 10 т на 1 ГВт (эл.) в год хвостовых растворов. 8

Аварии на атомных электростанциях (их сейчас в мире около 250), исследовательских реакторах, хранилищах ядерного топлива и предприятиях атомной промышленности могут резко усилить радиоактивное заражение местности.

Одной из наиболее опасных причин появления неустойчивости в работе АС может явиться подвижка земных блоков, вызванная изменениями аномалий физических полей. Поэтому очень важно наиболее оптимально выбирать площадку для размещения АС, учитывать возможные подвижки блоков при эксплуатации.

Однако практически почти все площадки для АС выбраны таким образом (так как требуется большое количество воды), что они расположены или на разломах или вблизи них. В этом смысле Чернобыльская АЭС расположена наиболее неудачно, здесь сходятся несколько крупных разломов.

Если бы физико-геологические особенности этого района были бы известны проектировщикам, то можно было бы избежать многих потерь.

Материалы аэрокосмической съемки совместно с геолого-геофизическими наблюдениями позволяют выявить достаточно оперативно и достоверно все эти неоднородности, выбрать площадку для размещения АС, проводить эколого-экономический мониторинг как самой АС, так и прилегающих территорий, а также выбрать путь транспортировки при аварийных ситуациях именно с учетом аномальных физических полей, контролирующих ландшафтообразование в регионе, определяющих максимум заражения радиацией. 2

Радионуклиды цезий-137 и стронций-90 близки по свойствам К и Са, поэтому легко усваиваются растениями на кислых почвах. Некоторые районы Тамбовской области (Сосновский и Петровский) подвержены радиационному заражению после Чернобыльской аварии (1986 г.).

В связи с широким использованием в народном хозяйстве радиоактивных веществ появилась опасность загрязнения почв радионуклидами. Источники радиации -- ядерные установки, испытание ядерного оружия, отходы урановых шахт. Потенциальными источниками, радиоактивного загрязнения могут стать аварии на ядерных установках, АЭС (как в Чернобыле, Екатеринбурге, а также в США, Англии).

В верхнем слое почвы концентрируются радиоактивные стронций и цезий, откуда они попадают в организм животных и человека. Лишайники северных зон обладают повышенной способностью к аккумуляции радиоактивного цезия. Олени, питающиеся ими, накапливают изотопы, а у населения, использующего в пищу оленину, в организме в 10 раз больше цезия, чем у, других северных народов. 4

Как известно, что уровень загрязнения земли в деревне Иидамура, что примерно в 40 км от АЭС «Фукусима», в 163,000 Бк/кг, что превышает обычный уровень в 1600 раз.

2.5 Сравнение АЭС и ТЭС по вкладу в загрязнение окружающей среды.

Нельзя не отметить ряд важных преимуществ АЭС по сравнению с ТЭС (Рисунок 2.1). Если сопоставить работу двух электростанций одной и той же мощности (1000 МВт) в течение года, выяснится следующее:

ь Потребность в топливе. Главная отличительная особенность ТЭС от АЭС заключается в огромном расходовании природных ресурсов -- ежегодно в топках ТЭС сжигается 4 млн. тонн угля (Рисунок 2.2). Добыча такого его количества открытым способом нанесет серьезный ущерб ландшафту, окружающим водоемам и за счет кислотного выщелачивания -- грунтовым водам. 1 Для АЭС потребуется 1,5 т обогащенного урана, что соответствует всего 1000 т урановой руды.

Особо следует отметить, что транспортировка угля требует существенно большего отчуждения земельных площадей, чем транспортировка ядерного топлива. Достаточно сказать, что ТЭС мощностью 1ГВт потребляет в год более 1500 эшелонов угля, то есть 4-5 эшелонов в день, в то время как АЭС той же мощности -- всего несколько вагонов за год. Уран, всегда содержащийся в угле в форме микропримесей, выносится с продуктами его сгорания и оседает на прилегающей территории. Сопоставление АЭС и угольной ТЭС одинаковой мощности показывает, что даже радиоактивные выбросы ТЭС в 5-10 раз больше, чем на АЭС. Так, угольная ТЭС мощностью 2,5 ГВт, работающая на угле, ежегодно выбрасывает до 0,1 Ки (кюри) долгоживущих радиоактивных продуктов в виде аэрозольных частиц урана и газообразных продуктов распада радона. Таким образом, предприятия УТЦ являются одним из основных поставщиков в окружающую среду долгоживущих естественных радионуклидов.

ь Высокая калорийность ядерного топлива. По сравнению с органическим топливом, обуславливает значительно меньший расход многих природных ресурсов в ЯТЦ по сравнению с теплоэнергетикой на органическом топливе (теплота сгорания ядерного топлива в 3000000 раз больше, чем условного органического топлива). Выработка энергии как в ЯТЦ, так и в УТЦ, требует нарушения значительных площадей (для размещения горнодобывающих предприятии, хранения отходов, складирования руды, размещения электростанций и.т.д.), но в ЯТЦ они в несколько раз меньше, чем в УТЦ.

ь Выделение углекислого газа. В результате работы угольной ТЭС в атмосферу поступит более 10 млн т углекислого газа, что усугубит парниковый эффект. АЭС вообще углекислого газа не выделяет.

ь Потребление кислорода. Ядерная энергетика, в отличие от энергетики на органическом топливе, не вызывает нарушения экологических циклов кислорода, углекислого газа, серы и азота. Это связано с тем, что «сжигание» ядерного топлива в реакторе происходит без участия окислителей, то есть не требует затрат кислорода. Сжигание же органического топлива требует затрат кислорода. В мире ежегодно сжигается 10 млрд. т. условного топлива и потребляется около 35 млрд. т. кислорода. Источниками кислорода на Земле являются леса и океан. Однако площади лесов постоянно сокращаются, а новые лесопосадки не компенсируют убыли. Компенсационные возможности океана по продуцированию кислорода также снижаются вследствие его интенсивного загрязнения. Поэтому опасение относительно исчерпания запасов кислорода вполне оправдано.

ь Двуокись серы и другие компоненты кислотных дождей. Необходимо также отметить, что природное ископаемое топливо (уголь, газ, нефть), используемое для производства электроэнергии тепловой энергетикой, содержит от 1,5 до 4,5 процентов серы. Выбросы этих загрязнений составят на ТЭС более 400 тыс. т; на АЭС они не образуются. Образующиеся при сгорании топлива оксиды серы, как правило, выбрасываются в атмосферу, где, вступая в контакт с атмосферной влагой, они образуют раствор серной кислоты. Далее раствор выпадает так называемых кислотных дождей, нанося огромный ущерб растительности и в особенности почве, так как такой дождь не только разрушает структуру почвы, но и значительно изменяет ее состав. Для его восстановления необходимы десятки и согни лет.

Одна ТЭС мощностью 1ГВт на угле с содержанием серы 3,5%, не смотря на применение систем очистки, выбрасывает в атмосферу 140 тыс. т сернистого ангидрида в год, из которого затем образуется около 280 тыс. т серной кислоты.

Ядерная энергетика, как известно, для производства энергии не использует органическое топливо и, следовательно, не принимает участия в образовании кислотных дождей.

ь Твердые отходы. Проблема их захоронения существует в обоих случаях. Радиоактивные отходы АЭС составят около 2 т; на ТЭС образуется около 100 тыс. т золы.

Именно радиоактивные отходы и возможности аварий на АЭС вызывают тревогу ученых и общественности. Общественное мнение станет решающим фактором в судьбе «ядерной мечты». (Трушина Т.П.)

Рисунок 2.1 -- Схема воздействия на окружающую среду ТЭС, работающей на угле и АЭС.

Рисунок 2.2 -- Схема обычного топливного цикла с использованием органического сырья

ГЛАВА 3 РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ АЭС И МЕТОДЫ ОБРАЩЕНИЯ С НИМИ

Атомные электростанции являются чистыми, эффективными и бесшумными. Однако их эксплуатация связана со сложными вопросами обеспечения безопасности. Однако, пожалуй, самым неудобным аспектом их работы является выработка большого количества отходов в виде отработанного ядерного топлива, которое сохраняет опасный уровень радиоактивности в течение нескольких тысяч лет. Каким образом и где следует безопасно хранить эти отходы -- этот вопрос остается центральным в многолетних дебатах о целесообразности применения атомной энергии.

Загрязненность радионуклидами внешней среды и образование различных радиоактивных отходов происходит в результате практической деятельности человека при: эксплуатации предприятий по добыче и переработке урановых руд; эксплуатации предприятий по производству естественного и обогащенного урана; эксплуатации предприятий по производству и изготовлению тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ); эксплуатации атомных электростанций (АЭС), атомных станций теплоснабжения (ACT) и атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ); эксплуатации предприятий по переработке и регенерации отработавшего ядерного топлива; эксплуатации и снятии с эксплуатации морских судов с ядерными энергетическими установками и баз их обслуживания; эксплуатации исследовательских атомных реакторов и т.д. 10

Источниками радиоактивного загрязнения на АЭС являются:

ь Газообразные радиоактивные отходы -- газо-аэрозольные выбросы трития, углерода-14, аэрозольные выбросы изотопов стронция -- стронций-89, стронций-90 и цезия -- цезий-134, цезий-137 и др.

ь Жидкие радиоактивные отходы (контурная вода, конденсат турбин с подсосами охлаждающей воды в конденсаторы, протечки технической воды, воды от отмывки помещений и оборудования, растворы от дезактивации оборудования и др.)

ь Твердые радиоактивные отходы (вышедшее из строя оборудование, строительный мусор, не подлежащая дезактивации спецодежда, ветошь, отработавшие источники ионизирующих излучений и пр.). Твердые радиоактивные отходы делятся на: прессуемые (одежда, резина, пластикаты, теплоизоляция, бумага, фильтры); непрессуемые (дерево, фильтры-рамки, трубопроводы, стекло, инструменты, трубы/вентили, бетонные блоки); сжигаемые (бумага, дерево), металлические.

Радиоактивные вещества образуются на АЭС в активной зоне реактора в результате ядерной реакции деления ядер уран-233, уран-235 и плутоний-239. Это главный источник образования радиоактивных веществ на АЭС. 10

Ежегодно АС производит, как минимум, 18 тонн радиоактивных отходов.

В 2006 году Международное Агентство по Ядерной Энергии (МАГАТЭ) подсчитало, что в мире ныне накоплено более 200 тыс. тонн отработанного ядерного топлива. Ежегодно к ним добавляется еще 10-12 тыс. тонн.

Проблема безопасного захоронения РАО является одной из тех проблем, от которых в значительной мере зависят масштабы и динамика развития ядерной энергетики. Генеральной задачей безопасного захоронения РАО является разработка таких способов их изоляции от биоцикла, которые позволят устранить негативные экологические последствия для человека и окружающей среды. Конечной целью заключительных этапов всех ядерных технологий является надежная изоляция РАО от биоцикла на весь период сохранения отходами радиотоксичности.

В настоящее время разрабатываются технологии иммобилизации РАО и исследуются различные способы их захоронения, основными критериями, при выборе которого для широкого использования являются следующие:

ь минимизация затрат на реализацию мероприятий по обращению с РАО;

ь сокращение образующихся вторичных РАО.

За последние годы создан технологический задел для современной системы обращения с РАО. В ядерных странах имеется полный комплекс технологий, позволяющих эффективно и безопасно перерабатывать радиоактивные отходы, минимизируя их количество.

Нигде в мире не выбран метод окончательного захоронения РАО, технологический цикл обращения с РАО, не является замкнутым: oтвержденные ЖРО (т.е. переведенные в твердую форму ЖРО), так же как и ТРО, хранятся на специальных контролируемых площадках, создавая угрозу радиоэкологической обстановке мест хранения.

На сегодняшний день всеобще признано (в том числе и МАГАТЭ), что наиболее эффективным и безопасным решением проблемы окончательного захоронения РАО является их захоронение в могильниках (рисунок 3.1) на глубине не менее 300-500 м в глубинных геологических формациях с соблюдением принципа многобарьерной защиты и обязательным переводом ЖРО в отвержденное состояние. Опыт проведения подземных ядерных испытаний доказал, что при определенном выборе геологических структур не происходит утечки радионуклидов из подземного пространства в окружающую среду.

Таким образом, при решении проблемы обезвреживания радиоактивных отходов использование “опыта, накопленного природой”, прослеживается особенно наглядно. Недаром именно специалисты в области экспериментальной петрологии оказались едва ли не первыми, кто оказался готов решать возникшую проблему.

Выбор места (площадки) для захоронения или хранения радиоактивных отходов, зависит от ряда факторов: экономических, правовых, социально-политических и природных. Особая роль отводится геологической среде -- последнему и важнейшему барьеру защиты биосферы от радиационно-опасных объектов.

Пункт захоронения должен быть окружен зоной отчуждения, в которой допускается появление радионуклидов, но за ее границами активность никогда не достигает опасного уровня. Посторонние объекты могут быть расположены не ближе, чем на расстоянии 3 радиусов зоны от пункта захоронения. На поверхности эта зона носит название санитарно-защитной, а под землей представляет собой отчужденный блок горного массива.

Отчужденный блок необходимо изъять из сферы человеческой деятельности на период распада всех радионуклидов, поэтому он должен располагаться за пределами месторождений полезных ископаемых, а также вне зоны активного водообмена. Проводимые при подготовке к захоронению отходов инженерные мероприятия должны обеспечить необходимый объем и плотность размещения РАО, действие систем безопасности и надзора, а том числе долговременный контроль за температурой, давлением и активностью в пункте захоронения и отчуждаемом блоке, а также за миграцией радиоактивных веществ по горному массиву.