2. Характеристика атомної енергетики та її вплив на довкілля

Ядерний реактор вперше було збудовано у 1942 р. у США, згодом, у 1946 р., запрацював реактор у СРСР. Атомну енергію спочатку використовували у військових цілях — у 1945 р. США випробували атомну бомбу, цього самого року вони знищили Хіросіму і Нагасакі (Японія). Наслідки воєнних дій для людей і довкілля були жахливими і непоправними.

Мирний атом почав працювати на першій у світі Обнінській АЕС (СРСР) у 1954 р. Нові АЕС почали активно зводити в СРСР і в усьому світі. Наприкінці 80-х років XX ст. темпи їх будівництва дещо сповільнились у зв'язку із фінансово-економічними чинниками, протестами «зелених» і неможливістю утилізувати відходи. Аварія на Чорнобильській АЕС посилила ці тенденції кількість АЕС скоротилася від 520 (1984) до 470 (2006).

Нині в Україні діють 4 атомні електростанції з 14 ядерними реакторами, 2 дослідних ядерних реактори та приблизно 9000 медичних, науково-дослідних, геологорозвідувальних, промислових та інших підпри­ємств та організацій, що використовують у практичній діяльності до 100 тис. джерел іонізуючого випромінювання. На сучасному етапі розвитку ядерної енергетики більшість АЕС функціонують із реакторами на теплових нейтронах.

Сутність ядерного процесу. Сировиною для ядерних установок є уран-235, уміст якого в урановій руді не перевищує 0,7%, а 99,3% припадає на уран-238, ядра якого діляться під впливом швидких нейтронів. Ядра урану-235 діляться під впливом швидких і теплових нейтронів. У процесі реакції поділу ядер урану 83% енергії перетворюється на кінетичну енергію продуктів розпаду, 3% витрачається на енергію гамма-випромінювання, ще 3% виносять новоутворені при розпаді нейтрони. Залишок енергії (11%) виділяється поступово у формі бета- і гамма-випромінювання від розпаду ядер нуклідів, що утворились.

Ізотоп уран-238 є основним поглиначем нейтронів і відповідно перешкоджає ланцюговій реакції розпаду ядер урану-235. Із метою забезпечення її проходження необхідно збагатити природний уран, збільшивши його вміст більше ніж на порядок, щоб забезпечити в зоні ре­акції теплові швидкості нейтронів. Такі умови можна створити, якщо природний уран помістити в речовину, що ефективно сповільнює швидкі нейтрони до теплових енергій. Такою сповільнюючою речовиною є графіт (вуглець), важка вода або оксид берилію. Важка вода має значний перетин захоплення теплових нейтронів її використовують як сповільнювач під час роботи реактора на збагаченому урані-235. Так спрощено описана ланцюгова реакція, що відбувається у теплових реакторах.

Основною частиною ядерного реактора є активна зона ядерного палива у вигляді тепловиділяючих елементів (твелів), де відбувається ланцюгова реакція розпаду. Теплоту, виділену твелами, відводить постійно циркулююча вода.

Використання теплоти активної зони здійснюється за двохконтурною схемою. Циркулююча у першому контурі вода знаходиться під тиском 15,7 МПа (ВВЕР-1000), її кипіння недопустиме.

Діюча АЕС впливає на навколишнє середовище, зумовлюючи радіоактивне, теплове, газоподібне забруднення, а також забруднення твердими відходами.

Радіоактивне забруднення, можливе при роботі АЕС. У процесі ділення ядер у реакторі утворюються радіоактивні речовини та активуються нейтронами матеріали, що знаходяться в активній зоні, їх активність зумовлена так званими короткоживучими радіонуклідами. Дуже короткий період напіврозпаду не завдає шкоди навколишньому середовищу. Радіоактивне забруднення відбувається від радіонуклідів, період напів­розпаду яких більше кількох хвилин. Виокремлюють такі види іонізуючих випромінювань: а-, р-випроміню-вання, фотонне і нейтронне.

Альфа-випромінювання (а-) - - потоки альфа-частинок утворилися внаслідок ядерного розщеплення, до складу яких входять ядра атомів гелію, що володіють кінетичною енергією в кількох мегаелектрон-вольт (МеВ).

Бета-випромінювання (β-) виникає внаслідок розщеплення радіонуклідів у вигляді потоку електронів або позитронів. Позитрон, на відміну від електрона, має позитивний заряд, але однакову з ним масу. Максимальна енергія бета-спектра - - від перших кілоелек-трон-вольт (кеВ) до кількох МеВ.

Фотонне випромінювання — рентгенівське або гамма-випромінювання. Унаслідок радіоактивного розпаду атомне ядро, як правило, перебуває у збудженому стані. Перехід ядра з такого стану на нижчий енергетичний рі­вень відбувається після еманації гамма-квантів, енергія яких знаходиться в діапазоні, наближеному до бета-випромінювання.

Нейтронне випромінювання — поділ важких ядер, у результаті якого виникають нейтрони. Продукти розпаду утворюються всередині твелів. їх проникнення через герметичну оболонку твела в охолоджуючу воду можливе лише внаслідок дифузії і за появи тріщин в оболонці. Крім тритію (вихід становить <1%), для всіх нуклідів таке проникнення абсолютно не значне.

Продукти розпаду поділяють на чотири групи: благородні гази; леткі речовини; тритій; нелеткі речовини.

Найкоротший період напіврозпаду біологічно активних радіонуклідів V газової складової радіоактивних викидів має криптон-87 — 1,3 год., довгоживучим є йод-129 — 1,6-10⁷ років. Серед твердих нуклідів, що впливають на живий організм, короткоживучим є празеодим — 14 діб, найстійкішим — європій — 5 років. Основна частина радіоактивних відходів, утворених унаслідок роботи АЕС, залишається у паливі. Відпрацьовані твели зберігають у басейнах витримки (спеціальні сховища), а потім відправляють на переробку у спецконтейнери у м. Красноярськ (Російська Федерація).

Джерелами відходів на АЕС є продукти нейтронної активації, утворені поза твелами, і продукти розпаду, виділені з твелів у теплоносій. Джерелом випромінювання є ВЯП (відпрацьоване ядерне паливо) — опромінене в активній зоні реактора ядерне паливо. У ньому менше урану-235 (оскільки він вигоряє), зате накопичуються ізотопи плутонію, інші трансуранові елементи, а також уламки, або продукти поділу, — ядра середніх мас.

За трирічний термін експлуатації накопичені уламки розщеплення починають зменшувати ефективність ланцюгової реакції. Тому раз на рік необхідно замінити приблизно одну третину твелів. Після вилучення з реак­тора відпрацьоване ядерне паливо зберігається під водою у великому бетонному сховищі — басейні витримки, облицьованому нержавіючою сталлю. Тільки після З— 5 років такого зберігання стає можливим його вивезення із майданчика АЕС.

Перевезення ВЯП здійснюють переважно залізничним транспортом із застосуванням особливих заходів безпеки в спеціальних транспортних контейнерах. Це гарантує дотримання вітчизняних і міжнародних вимог, нормативів з усіх видів захисту: технологічного, фізичного, ядерного, радіаційного.

Ураховуючи, що у складі ВЯП міститься до 97% ядерних матеріалів, які можна ефективно використати в реакторах наступного покоління (швидкі реактори) або в реакторах та системах із підвищеними розмножуючими властивостями (реактори на важкій воді), Україна разом із більшістю країн дотримується тактики «відкладеного рішення».

Одним із основних екологічно безпечних та надійних методів зберігання відпрацьованого палива є сухе зберігання в бетонних контейнерах. В Україні лише Запорізька АЕС має сухе сховище відпрацьованого ядерного палива.

Організм людини по-різному переносить вплив різних видів випромінювання, крім того, органи нашого тіла мають неоднакову чутливість до опромінення. Коли йдеться про ефективну дозу опромінення, мають на увазі кількісний вплив радіації на людину, при цьому немає значення, яким випромінюванням і за яких умов вона опромінена.

Сучасна одиниця виміру ефективної дози — Зв (зиверт), застаріла одиниця — бер. 1 Зв = 100 бер. У звичайних умовах людина за все життя одержує менше 1 Зв.

Випромінювання, що створює в повітрі 1 Рентген (Р), у тілі людини створить дозу, що приблизно дорівнює 1 бер, або 1 сЗв (сота частина зиверта).

Для вимірювання природного фону найчастіше застосовують мкР/годину. За рік людина, яка проживає в місцевості із фоном 15 мкР/годину, одержить дозу 15x24x365 = 131 400 мкР = 0,13 Р = 0,13 бер, або 1,3м3в.

Чим більша доза, отримана людиною за короткий час (менше 24 год.), тим більше утвориться мертвих та ушкоджених клітин і тим більше навантаження на імунітет. Так, при гострій дозі 0,253 Зв (25 бер) у більшості людей з'являються зміни складу крові, що виявляються при аналізі. Разова доза 100 бер (1 Зв) спричиняє нудоту, блювоту, почервоніння шкіри - - першу стадію променевої хвороби. Якщо припинити опромінення, то імунна система більшості людей справиться з ушкодженням і організм повернеться до нормального існування. Гостра доза 63 Зв (600 бер) призводить до 100% смертності.

Опромінення призводить до виникнення в організмі живих, але ушкоджених клітин, які знижують імунітет. Якщо захисна система визначить дефектну клітину як нормальну, ненормальна клітина буде розмножуватись. Так виникають доброякісні і злоякісні пухлини. Крім ракових захворювань, опромінення призводить до передчасного старіння, пригнічення імунітету, генетичних наслідків.

Наслідки опромінення, ймовірність яких збільшується зі збільшенням колективної дози, але прямо не повязані з дозою окремої людини, називають схоластичним (безпороговим, вірогідним) ефектом.

Радіація не накопичується в організмі.

Теплове забруднення, спричинене АЕС. Під час виробництва 1 кВт/год. електроенергії на АЕС в атмосферне повітря викидається 130 ккал теплових відходів, а зтехнологічною водою - - 1900 ккал. За аналогічного продукування енергії на ТЕС відповідні викиди становлять 400 ккал і 135 ккал. Середня за потужністю АЕС продуктивністю 3000 МВт (три блоки-мільйонники) електроенергії за 1 год. виробляє більше 5 млрд ккал неспожитого тепла. Вода є основним компонентом-охолоджувачем під час виробництва електроенергії на АЕС. На більшості станцій функціонують ставки-охолоджувачі (Хмельницька, Південноукраїнська АЕС та ін.), а на деяких — градирні (спеціальні гідроспоруди висотою 105 м, з яких вода при вільному падінні через перегородки розбивається й охолоджується).

Охолоджуюча спроможність водної поверхні змінюється залежно від вітру і температури від 7 до 36 ккал у 1 год. на 1 м на кожний градус різниці між температурою води і повітря. Отже, для розсіювання тепла станції потужністю 3000 МВт необхідно мати 1800 га водної поверхні.

Унаслідок теплового забруднення у 5—6 разів збільшується випаровування води, а тому підвищується її мінералізація, порушується карбонатно-кальцієва рівновага, знижується розчинність кисню. У межах мілководдя ставка-охолоджувача різко зростає біологічна продуктивність. Розростаються макрофіти та синьо-зелені водорості, під час відмирання яких накопичуються значні маси органічної речовини, збільшується біологічна продуктивність кисню (БПК), знижується концентрація кисню у воді, що погіршує умови життя гідробіонтів, призводить до замору риб і відмирання частини зоопланктону.

Для відновлення екологічної рівноваги у водоймі акваторію поділяють на техногенну і комунально-побутову з перетоком води у техногенну.

Теплове забруднення також зумовлюють відходи продування випарних апаратів і кульки фільтрувальних матеріалів.

Газоподібне забруднення. Воно виникає внаслідок очищування теплоносія першого контуру на АЕС із реакторами ВВЕР. Газоподібні відходи також утворюються в результаті дегазації витоків теплоносія, виходу газів під час водообміну у реакторі і відбору проб води. Додатковим джерелом газоподібних відходів є вентиля.

Забруднення твердими відходами. Такі відходи утворюються після затвердіння рідких відходів, а також використання різних матеріалів. До твердих відходів належать деталі та частини обладнання і приладів, що вийшли з експлуатації.

Екологічні переваги атомної енергетики. Найбільші питомі (на одиницю виробленої електроенергії) викиди спричинює вугільна станція. У вугіллі завжди є природні радіоактивні речовини: торій, довгоживучі ізотопи урану, продукти їхнього розпаду (разом із радіотоксичними радієм, радоном і полонієм), а також довгоживучий радіоактивний ізотоп калію — калій-40. Під час спалювання вугілля ці речовини майже повністю потрапляють у зовнішнє середовище. Питома активність викидів ТЕС в 5—10 разів вища ніж АЕС. Крім того, значна частина природних радіонуклідів, що є у вугіллі, накопичується в жужільних відвалах ТЕС і потрапляє в організм людей. В 1 т золи ТЕС утримується до 100 г радіоактивних речовин. На АЕС такий канал їхнього розповсюдження відсутній, оскільки технології обігу з вилученим із реактора опроміненим ядерним паливом (ОЯП) унеможливлюють його прямий контакт із зовнішнім середовищем. Радіаційний вплив ТЕС на насе­лення приблизно в 20 разів вищий ніж АЕС такої самої потужності (хоча в обох випадках він у багато разів менший від впливу природного фону). Загальновизнано, що АЕС за нормальної експлуата­ції набагато (не менпіе ніж у 5—10 разів) екологічно чи­стіші за теплові електростанції.

Усі країни ЄС підписали Кіотський протокол про зменшення викидів парникових газів, однак ці вимоги неможливо виконати, якщо і надалі покладатися винятково на традиційні джерела енергії.

Оскільки «зелена» енергетика розвивається надто повільно і впродовж 50 наступних років не зможе повністю замінити атом, газ, вугілля та нафту, багато фахівців розуміє, що атомна енергетика — найчистіша з усіх нині доступних.

У 2010 р. на чотирьох діючих АЕС України експлуатувалося 15 енергоблоків, які відпрацювали в середньому половину передбаченого проектами строку експлуатації. Енергетичною стратегією України (затверджена урядом у березні 2006 р.) заплановано збереження протягом 2006—2030 рр. частки виробництва електроенергії АЕС на рівні 2006 р. (приблизно половина від сумарного річного виробництва електроенергії в Україні). Таке рішення зумовлене насамперед наявністю власних сировинних ресурсів урану, стабільною роботою АЕС, потенційними можливостями країни щодо створення енергетичних потужностей на АЕС, наявними техніч­ними, фінансовими та екологічними проблемами теплової енергетики.

Будівництво нових потужностей АЕС у період до 2030 р. детерміноване кількістю діючих енергоблоків, які можна експлуатувати з урахуванням продовження строку їх використання на 15 років. До 2030 р. в експлуатації будуть перебувати 9 нині працюючих енергоблоків АЕС.

Багато теоретиків і практиків — фахівців у галузі атомної енергетики — вважають, що вона є безальтернативною. Нове покоління реакторів ВВЕР-1000, які функціонують на атомних електростанціях, за технологічними параметрами і рівнем захисту від аварій визнані світовою спільнотою найнадійнішими. Однак стверджувати про «стерильність» роботи станцій передчасно, хоча переваги АЕС щодо забруднення навколишнього природного середовища над тепловими електростанціями є переконливими. З огляду на те що атомна енергетика виробляє 50% електроенергії, потрібної державі, доцільно удосконалювати технологію її виробництва та впроваджувати альтернативні джерела енергії з огляду на зупинку атомних реакторів не пізніше 2040 р.

Отже, для забезпечення необхідних обсягів виробництва електроенергії слід запровадити до 2030 р. в експлуатацію 20—21 ГВт додаткових потужностей на АЕС.

Отже, АЕС виробляють 50% енергії України. В процесі їхньої роботи відбувається радіоактивне забруднення твердими відходами, теплове і газоподібне усіх скла­дових довкілля. Невирішені питання зберігання радіо­активних відходів, використання вітчизняної руди при створенні твелів та реновація відпрацьованих енергоблоків.