В.Н. Єршов за участю Л.Ю. Алікберовой і Є. І. Хабарової
Сучасна цивілізація немислима без електричної енергії. Вироблення і використання електрики збільшується з кожним роком, але перед людством вже маячить привид майбутнього енергетичного голоду через виснаження родовищ горючих копалин і все більших екологічних втрат при отриманні електроенергії.
Енергія, що виділяється в ядерних реакціях, в мільйони разів вища, ніж та, яку дають звичайні хімічні реакції (наприклад, реакція горіння), так що теплотворна здатність ядерного палива виявляється незмірно більшою, ніж звичайного палива. Використовувати ядерне паливо для вироблення електроенергії - надзвичайно спокуслива ідея.
Переваги атомних електростанцій (АЕС) перед тепловими (ТЕЦ) та гідроелектростанціями (ГЕС) очевидні: немає відходів, газових викидів, немає необхідності вести величезні обсяги будівництва, зводити греблі і ховати родючі землі на дні водоймищ. Мабуть, більш екологічні, ніж АЕС, тільки електростанції, що використовують енергію сонячного випромінювання або вітру.
Але й вітряки, і геліостанції поки малопотужні і не можуть забезпечити потреби людей у дешевій електроенергії - а ця потреба все швидше росте.
І все ж доцільність будівництва і експлуатації АЕС часто ставлять під сумнів через шкідливого впливу радіоактивних речовин на навколишнє середовище і людину.
Невидимий ворог
Відповідальність за природну земну радіацію в основному несуть три радіоактивні елементи - уран, торій і актиній. Ці хімічні елементи нестабільні; розпадаючись, вони виділяють енергію або стають джерелами іонізуючого випромінювання. Як правило, при розпаді утворюється невидимий, не має смаку і запаху важкий газ радон. Він існує у вигляді двох ізотопів: радон - 222, член радіоактивного ряду, утвореного продуктами розпаду урану-238, і радон-220 (званий також торон), член радіоактивного ряду торію-232. Радон постійно утворюється в глибинах Землі, накопичується у гірських породах, а потім поступово по тріщинах переміщається до поверхні Землі.
Опромінення від радону людина дуже часто отримує, знаходячись у себе вдома або на роботі і не підозрюючи про небезпеку, - у закритому, непровітрюваному приміщенні, де підвищена його концентрація цього газу - джерела радіації.
Радон проникає в будинок з грунту - крізь тріщини у фундаменті і через підлогу - і накопичується в основному на нижніх поверхах житлових і виробничих будівель. Але відомі й такі випадки, коли житлові будинки та виробничі корпуси зводять безпосередньо на старих відвалах гірничодобувних підприємств, де радіоактивні елементи присутні в значних кількостях. Якщо в будівництві виробництві застосовують такі матеріали як граніт, пемза, глинозем, фосфогіпс, червона цегла, кальцієво-силікатний шлак, джерелом радонової радіації стає матеріал стін.
Природний газ, що використовується у газових плитах (особливо зріджений пропан в балонах) - теж потенційне джерело радону. А якщо воду для побутових потреб викачують з глибоко залягають водяних пластів, насичених радоном, то висока концентрація радону в повітрі навіть при пранні білизни!
До речі, було встановлено, що середня концентрація радону у ванній кімнаті, як правило, в 40 разів вище, ніж у житлових кімнатах і в кілька разів вище, ніж на кухні.
Радіація і людина
Радіоактивність і радіоактивний фон Землі - природне явище природи, що існувало задовго до появи людини. Людство в процесі еволюції постійно знаходився під впливом радіації. Тому всі органи людини містять будь-яких радіоактивні ізотопи. Поки їх кількість не перевищує безпечного межі, підстав для занепокоєння немає. Але якщо рівень радіації підвищується, живі організми опиняються під загрозою.
Вперше випробували на собі дію підвищених доз радіації вчені, дослідники природної радіоактивності - Беккерель, П'єр Кюрі, Марія Склодовська-Кюрі. Коли подружжя Кюрі в 1901 р. отримали з уранової смоляної обманки перше крупиці радію, Анрі Беккерель належало виступити на конференції з доповіддю про властивості радіоактивних речовин.
Бажаючи продемонструвати дію випромінювання радію на флуоресціює екрані з сульфіду цинку, він тимчасово взяв в лабораторії пробірку з декількома кристалами хлориду барію, що містить домішка солі радію і цілий день носив цю пробірку в кишені жилета. Демонстрація випромінювання пройшла успішно, хоча Беккерель раз у раз повертався до екрану спиною, і Радієвий промені повинні були проникати до сульфіду цинку крізь його тіло. Але через 10 днів на шкірі Беккереля навпаки кишені жилета з'явилося червона пляма, а потім - довго не загоюються виразка.
П'єр Кюрі теж встиг переконатися у підступності радію. Не підозрюючи про серйозну небезпеку, якій піддається, він прикладав ампулу з сіллю нового елемента до руки й одержав глибокий опік з омертвінням тканин ...
Видатні вчені Марі Склодовська-Кюрі, Маргеріт Пере і багато інших страждали променевою хворобою, яка стала професійним недугою всіх радіохіміком. Однак систематичне вивчення біологічної дії радіації почалося набагато пізніше - після вибухів атомних бомб у Хіросімі і Нагасакі і численних випробувань ядерної зброї.
Опромінення: міна сповільненої дії
Радіоактивні речовини (радіонукліди) можуть потрапляти в організм через легені при диханні, разом з їжею, або діяти на шкірні покриви, так що опромінення може бути як зовнішнім, так і внутрішнім. Радіоактивні стронцій і кальцій накопичуються в кістках, йод - у щитовидній залозі, цезій і калій - практично у всіх органах і тканинах. Як не дивно, ефективність радіонуклідів, що потрапили всередину організму, в кілька разів менше ефективності загального зовнішнього опромінення (особливо в тому випадку, коли вони випускають гамма-випромінювання).
Наслідки опромінення різноманітні і дуже небезпечні. Найбільш сильне ураження радіацією викликає променеву хворобу, яка може призвести до загибелі людини. Це захворювання проявляється дуже швидко - від декількох хвилин до доби. Під дією радіації настають зміни в складі крові: зниження кількості лейкоцитів і тромбоцитів. Чим вище доза радіації, тим сильніше погіршується склад крові хворого і збільшується вірогідність смертельного результату, який при сильному ураженні наступає на 1-3 добу. У цьому випадку для лікування необхідна важка операція - пересадка кісткового мозку.
При відносно слабких дозах у опроміненого людини в наступні роки життя можуть розвинутися ракові захворювання, прискорене старіння. У результаті радіаційного ураження плода в утробі матері виникають різні каліцтва, розумова відсталість дітей. У другому, третьому і наступних поколіннях можуть з'явитися різноманітні генетичні захворювання. Радіація може викликати порушення дітородних функцій чоловіків і жінок, руйнування щитовидної залози, та інші шкідливі наслідки для здоров'я людини.
Наслідки радіаційного ураження можуть проявитися через багато років після опромінення. Радіація викликає пошкодження хромосом, проте прямих даних про радіаційний вплив на спадкові захворювання людини до цих пір не отримано. По-перше, поки ще мало відомо, що саме відбувається в генетичному апараті. По-друге, ці ефекти можна оцінити лише протягом багатьох поколінь. По-третє, їх неможливо відрізнити від тих, які виникають зовсім з інших причин.
Безсумнівний шкоду радіації, особливо у високих дозах, сьогодні відомий всім. Тому при проектуванні, будівництві та експлуатації атомних електростанцій покладається приділяти максимум уваги питанням безпеки й екологічних проблем. Якщо ситуація на АЕС не виходить з-під контролю, то їх шкідливий вплив на здоров'я людей можна порівняти з дією вугільних електростанцій або добрив. Воно набагато нижче, ніж вплив природних джерел випромінювання (таких як космічні промені, деякі мінерали і гірські породи, вживані в будівництві). До речі, найбільші дози опромінення людина отримує ... в поліклініці, при рентгенодіагностиці.
Передбачаються різні заходи, спрямовані на те, щоб радіоактивний "джин" не вирвався на волю і не накоїв лиха. Тим не менш, через прорахунки проектувальників і конструкторів атомних реакторів, а часом - через фатальних помилок персоналу атомних станцій відбуваються аварії - великі і малі. Найстрашніша з них відбулася зовсім недавно - 26 квітня 1986 р. на Чорнобильській АЕС, розташованій поблизу кордону України і Білорусі.
Зірка на ім'я "Полин"
26 квітня 1986 на четвертому блоці Чорнобильської АЕС сталася аварія, яка призвела до руйнування активної зони реактора і частини будинку, в якому він був розташований. Державна комісія провела розслідування причин вибуху, і прийшла до висновку: аварія сталася під час експерименту, до проведення якого персонал АЕС був не підготовлений. Включення оператором аварійного захисту реактора призвело до вибуху ...
Зараз укладення держкомісії піддається сумніву, багато незалежні експерти вбачають у ньому упередженість і навіть елементи фальсифікації. Мабуть, ніхто і ніколи не дізнається, чому реактор перейшов у непередбачуване стан, при якому аварійний захист перестала гарантувати зупинку ядерної реакції, і що саме змусило оператора натиснути нещасливу "червону кнопку". Результат - вибух і пожежа, розплавлення та розпорошення радіоактивного "палива", жахливі наслідки для України, Білорусії, сусідніх європейських країн.
"Третій Ангел засурмив, і впала з неба велика зірка, палаючи, як смолоскип, і впала вона на третину річок та на водні джерела. Ймення зорі" полин ", і третя частина води, як полин, і багато з людей повмирали з води, тому що вони стали гіркі ". Такі рядки з Одкровення Іоанна Богослова - "Апокаліпсису". Не про Чорнобильської чи катастрофі сказано в пророцтві? Адже полин по-українськи - чорнобиль ...
У результаті чорнобильського вибуху в навколишній простір було викинуто колосальну кількість радіоактивних речовин. Переміщення в атмосфері радіоактивного хмари, осадження радіонуклідів з пилом і дощем, поширення грунтових і поверхневих вод, забруднених радіоактивними ізотопами, - все це призвело до опромінення сотень тисяч людей на території понад 23 тис. км2.
У самий момент вибуху загинув оператор ЧАЕС Валерій Ходемчук. Вночі 26 квітня він почув низький страшний гул у приміщенні головного циркуляційного насоса і піднявся туди з'ясувати обстановку. Через кілька хвилин уламки бетонних блоків стали його надгробком. Кілька десятків пожежних і спеціалістів - ліквідаторів аварії, які працювали на розчищенні території зруйнованого четвертого блоку станції від уламків графіту, радіоактивного пилу і шматків ядерного пального, - загинули від гострої променевої хвороби. Ще кілька сотень чоловік були визнані хворими гострої променевої хворобою.
З величезними труднощами був побудований "саркофаг" - унікальна споруда з бетону і сталі, изолирующее вибухнув блок ЧАЕС від навколишнього середовища. Дезактивація зони радіоактивного ураження продовжується до цього дня, і цієї роботи не видно кінця. Ця зона включає в себе два міста (Чорнобиль і Прип'ять), близько 80 покинутих сіл із будинками, фермами, майстернями, сільськогосподарською технікою. У зоні знаходяться 800 "могильників", де поховані "автомобілі, трактори, бульдозери, екскаватори і навіть танки, які набрали такі дози радіації, що їх вже неможливо дезактивувати.
Люди, які зазнали опромінення в результаті Чорнобильської аварії, втрачають здоров'я і страждають від безлічі хвороб, викликаних не тільки радіацією, але і психологічним шоком. Вони потребують допомоги, але цьому заважають численні економічні проблеми, що ускладнюють життя тепер вже незалежних Білорусії, Росії та Україні, найбільшою мірою відчули на собі наслідки Чорнобиля.
Проблеми чорнобильського саркофага
"Саркофаг", зведений над (точніше, навколо) четвертого блоку ЧАЕС, вже в 1991 р. витримав серйозний іспит на міцність - 3-х-бальний землетрус. А зараз стало ясно, що спорудження це зовсім не герметичне, на деяких його ділянках радіація починає вибиратися назовні.
І все-таки 150 чоловік, які постійно працюють тут, не тільки зміцнили напівзруйновану будівлю, але й вивчили його "начинку" - виявили кілька критичних зон, де раз у раз поновлюється розігрів атомного пального (а значить, йде ланцюгова ядерна реакція).
Зведений майже наосліп, одночасно з проектуванням, в найжорстокішій радіаційну обстановку, "саркофаг" - об'єкт з офіційною назвою "Укриття" - страждає від безлічі бід. Одна з них - радіоактивний пил.
Навесні і влітку сумно знаменитого року аварії вертолітники скинули в жерло палаючого реактора 1800 т піску і глини, 2400 т свинцю, 800 т доломіту, 40 т карбіду бору. Все це змішалося з розпорошеним ядерним паливом і перетворилося на радіоактивний пил, яку покладається змивати водою. Але вода - це ще одна біда "Укриття". У підвалах, машинному залі та інших приміщеннях її накопичилося кілька тисяч кубометрів. І це не просто вода, а концентрований розчин радіоактивних солей, який може вилитися назовні і затопити околиці.
Найголовніша біда "саркофага" і його загадка - стан атомного пального. У момент аварії в реакторі знаходилося 205 т урану, який пропрацював після завантаження всього 865 днів. Скільки залишилося після вибуху і пожежі, коли температура досягала 7 тис. градусів? Скільки урану розплавилося, яка його частка віднесена у вигляді радіоактивного пилу?
Ось ті проблеми, які належить вирішувати фахівцям, інженерам-фізикам у найближчі роки.
Атом виходить з-під контролю
Аварії на об'єктах атомної енергетики - найболючіше питання експлуатації АЕС. Однак незважаючи на їх тяжкість, в цілому ймовірність таких аварій невелика. З моменту появи атомної енергетики відбулося не більше трьох десятків аварій, і лише в чотирьох випадках мав місце викид радіоактивних речовин у навколишнє середовище. Однак масштаби забруднень, супутніх таким аваріям, часто набувають глобального характеру.
До Чорнобильської катастрофи все, що пов'язано із застосуванням атомної енергії (навіть в мирних цілях) було оточене завісою секретності. Не дивно, що багато критичні ситуації в цій області стали відомі людству тільки через 30-40 років, в 90-х роках XX століття ...
Ось тільки один з прикладів цього ряду.
29 вересня 1957 на комбінаті "Маяк" вийшла з ладу система охолодження бетонної ємності, де збиралися рідкі відходи з високою радіоактивністю. У результаті стався вибух, і радіоактивні речовини потрапили в атмосферу. Вони розсіялися і осіли на території Челябінській, Свердловській і Тюменській області. Довжина радіоактивного сліду досягла 200 км, ширина - 8-9 км. Завдяки щасливому випадку, слід пройшов по малонаселеній місцевості.
У наступні роки була проведена глибока оранка полів з похованням забрудненого грунту на глибину більше півметра. Поступово і дуже повільно ці землі повертаються до сільськогосподарського обороту.
Дію цього викиду на здоров'я людей оцінити досить важко, оскільки в цих районах діють численні металургійні та хімічні підприємства, що забруднюють атмосферу оксидами сірки.
Радіоактивний "сміття"
Навіть якщо атомна електростанція працює ідеально і без найменших збоїв, її експлуатація неминуче веде до накопичення радіоактивних речовин. Тому людям доводиться вирішувати дуже серйозну проблему, ім'я якої - безпечне зберігання відходів.
Відходи будь-якої галузі промисловості при величезних масштабах виробництва енергії, різних виробів і матеріалів створюють величезною проблемою. Забруднення навколишнього середовища і атмосфери в багатьох районах нашої планети вселяє тривогу і побоювання. Мова йде про можливості збереження тваринного і рослинного світу вже не в первозданному вигляді, а хоча б у межах мінімальних екологічних норм.
Радіоактивні відходи утворюються майже на всіх стадіях ядерного циклу. Вони накопичуються у вигляді рідких, твердих і газоподібних речовин з різним рівнем активності та концентрації. Більшість відходів є низькоактивних: це вода, що використовується для очищення газів і поверхонь реактора, рукавички та взуття, забруднені інструменти та перегорілі лампочки з радіоактивних приміщень, відпрацьоване обладнання, пил, газові фільтри і багато іншого.
Гази та забруднену воду пропускають через спеціальні фільтри, поки вони не досягнуть чистоти атмосферного повітря та питної води. Що стали радіоактивними фільтри переробляють разом з твердими відходами. Їх змішують з цементом і перетворюють на блоки або разом з гарячим бітумом заливають в сталеві ємності.
Важче за все підготувати до довготривалого зберігання високоактивні відходи. Краще за все така "сміття" перетворювати на скло і кераміку. Для цього відходи прожарюють і сплавляють з речовинами, що утворюють склокерамічну масу. Розраховано, що для розчинення 1 мм поверхневого шару такої маси у воді буде потрібно не менше 100 років.
На відміну від багатьох хімічних відходів, небезпека радіоактивних відходів з часом знижується. Більша частина радіоактивних ізотопів має період напіврозпаду близько 30 років, тому вже через 300 років вони майже повністю зникнуть. Так що для остаточного видалення радіоактивних відходів необхідно будувати такі довготривалі сховища, які дозволили б надійно ізолювати відходи від їх проникнення в навколишнє середовище до повного розпаду радіонуклідів. Такі сховища називають могильниками.
Необхідно враховувати, що високоактивні відходи довгий час виділяють значну кількість теплоти. Тому найчастіше їх видаляють в глибинні зони земної кори. Навколо сховища встановлюють контрольовану зону, в якій вводять обмеження на діяльність людини, в тому числі буріння і видобуток корисних копалин.
Пропонувався ще один спосіб вирішення проблеми радіоактивних відходів - відправляти їх в космос. Дійсно, обсяг відходів невеликий, тому їх можна видалити на такі космічні орбіти, які не перетинаються з орбітою Землі, і назавжди позбутися радіоактивного забруднення. Однак цей шлях був відкинутий через небезпеку непередбаченого повернення на Землю ракети-носія в разі виникнення яких-небудь неполадок.
У деяких країнах серйозно розглядається метод захоронення твердих радіоактивних відходів у глибинні води океанів. Цей метод підкуповує своєю простотою та економічністю. Однак такий спосіб викликає серйозні заперечення, засновані на корозійних властивості морської води. Висловлюються побоювання, що корозія досить швидко порушить цілісність контейнерів, і радіоактивні речовини потраплять у воду, а морські течії рознесуть активність по морських просторах.
Не тільки радіація
Експлуатація АЕС супроводжується не тільки небезпекою радіаційного забруднення, а й іншими видами впливу на навколишнє середовище. Основним є тепловий вплив. Воно в півтора-два рази вище, ніж від теплових електростанцій.
При роботі АЕС виникає необхідність охолодження відпрацьованого водяної пари. Найпростішим способом є охолодження водою з річки, озера, моря або спеціально споруджених басейнів. Вода, нагріта на 5-15 ° С, знову повертається в те ж джерело. Але цей спосіб несе з собою небезпеку погіршення екологічної обстановки у водному середовищі у місцях розташування АЕС.
Більше застосування знаходить система водопостачання з використанням градирень, в яких охолодження води відбувається за рахунок її часткового випаровування та охолодження. Невеликі втрати поповнюються постійної підживленням свіжою водою. При такій системі охолоджування в атмосферу викидається величезного кількість водяної пари і краплинної вологи. Це може призвести до збільшення кількості опадів, частоти утворення туманів, хмарності.
В останні роки стали застосовувати систему повітряного охолодження водяної пари. У цьому випадку немає втрат води, і вона найбільш нешкідлива для навколишнього середовища. Однак така система не працює при високій середній температурі навколишнього повітря. Крім того, собівартість електроенергії істотно зростає.
Перспективи атомної енергетики
Після непоганого старту наша країна відстала від передових країн світу в галузі розвитку атомної енергетики за всіма параметрами. Звичайно, від ядерної енергетики можна взагалі відмовитися. Тим самим буде повністю усунута небезпека опромінення людей і загроза ядерних аварій. Але тоді для задоволення потреб в енергії доведеться нарощувати будівництво ТЕЦ і ГЕС. А це неминуче призведе до великого забруднення атмосфери шкідливими речовинами, до накопичення в атмосфері надмірної кількості вуглекислого газу, зміни клімату Землі і порушення теплового балансу в масштабах всієї планети. Тим часом примара енергетичного голоду починає реально загрожувати людству.
Радіація - грізна і небезпечна сила, але при належному ставленні з нею цілком можна працювати. Характерно, що менше всього бояться радіації ті, хто постійно має з нею справу і добре знає всі пов'язані з нею небезпеки. У цьому сенсі цікаво порівняти статистику і інтуїтивну оцінку ступеня небезпеки різних факторів повсякденному житті. Так, встановлено, що найбільша кількість людських життів забирають куріння, алкоголь і автомобілі. Між тим, за оцінкою людей з груп населення, різних за віком і освітою, найбільшу небезпеку життя несуть атомна енергетика і вогнепальну зброю (шкоди, принесений людству курінням і алкоголем, явно недооцінюється).
Фахівці, які можуть найбільш кваліфіковано оцінити достоїнства і можливості використання ядерної енергетики, вважають, що людству вже не обійтися без енергії атома. Ядерна енергетика - один з найбільш перспективних шляхів угамування енергетичного голоду людства в умовах енергетичних проблем, пов'язаних з використанням викопного пального палива.