Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы промышленной экологии. Курс лекций
.pdf
7. ЯДЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ В БИОСФЕРЕ
Прокомментируем основные события уже более чем столетней
истории развития ядерной технологии, имеющей громадные научные, технические, экономические и политические последствия.
Все началось с В.К. Рентгена, который в 1895 г., экспериментируя
с так называемыми в то время «катодными лучами» (в приборе, похожем на современные телевизионные трубки), обжег себе руку. В
1896 г. А.А. Беккерель открыл самопроизвольное излучение солей
урана, вызвав буквально лавину исследований. П. Кюри, В.И. Вернадский в начале ХХ века много времени уделяли исследованию радиоактивности. В 1916 г. Э. Резерфорд и одновременно Н. Бор выдвинули планетарную модель атома. Многие выдающиеся физики начали
осваивать новое поле науки – ядерную физику: Э. Шредингер, П. Диррак, М. Кюри-Склодовская, А.Ф. Иоффе, перечислить всех просто не
представляется возможным. В 1932 г. Д. Иваненко открыл нейтрон, в
1938 г. О. Ганн и Г. Штрассман – цепные реакции.
Вот это уже было серьезно. На горизонте замаячило абсолютное
оружие, а ведь Ганн и Штрассман работали в фашисткой Германии и
этот факт был мгновенно оценен по обе стороны океана. В США
стартовал проект Оппенгеймера по созданию ядерного оружия, не
проект, а смертельная гонка, в которой ставкой было мировое господство одних и несомненное уничтожение других. В 1943 г. практически одновременно в Чикаго и в Москве были запущены первые
ядерные реакторы, начавшие наработку оружейного плутония Pu
239
.
Драматически развивались события в СССР. В разгар военных
действий пулеметчик Жора Флеров (будущий академик и выдающийся ядерщик Г.Н. Флеров) прямо из окопов пишет руководству о
сложившейся ситуации и необходимости создания в СССР ядерного
оружия. Его отзывают с фронта, создается группа ученых под руководством И.В. Курчатова, которая, опираясь в том числе на разведданные, начинает спешно догонять американцев.
Германия, конечно, тоже торопилась, для нее это тогда уже было
вопросом жизни и смерти. Но Гитлер еще в 30-е годы заложил фундамент своего поражения в этой гонке, подвергнув репрессиям ученых и интеллигенцию.
В апреле 1945 г. американцы провели первое испытание ядерного
оружия на полигоне в Аламогордо, штат Нью-Мексико. А в августе
1945 г. были взрывы в Хиросиме и Нагасаки. В 1946 г. в СССР соз-
101
дана атомная бомба и паритет вооружений был установлен, а в 1949 г.
мы уже вышли вперед в гонке вооружений, создав первую в мире водородную бомбу.
В 1954 г. была запущена первая в мире Белоярская АЭС на Урале.
Напряженность в отношениях двух великих держав нарастала. В 1957 г.
грянул Кыштымский взрыв (не ядерный, а тепловой, аналогичный чернобыльскому), о котором мы узнали только спустя 25 лет. Возникла
зона радиоактивного заражения Челябинск – 60, в которой все эти годы велись интенсивные научные исследования и были получены основные результаты радиобиологии. Карибский кризис 1961 г. был апогеем напряженности. То, что тогда удалось избежать войны, до сих
пор воспринимается как чудо.
В 1986 г. грянул Чернобыль, по выбросам радиоактивных веществ
равный 500 Хиросимам. И наконец, в 1996 г. 12 сентября были запрещены все и всякие ядерные испытания, включая подземные, которые, кстати сказать, в 30 % случаев связаны с прорывом радиоактивности в атмосферу. Это выдающееся событие, о котором еще несколько лет назад невозможно было и мечтать, прошло незаметно.
Ядерная технология развита для войны, поэтому рассмотрим два
ее аспекта: военный и мирный. Военный, в свою очередь, распадается на два варианта: ведение военных действий с использованием
ядерного оружия и подготовка таких военных действий в условиях
сохранения мирной обстановки.
Ядерная война будет иметь далеко и глубоко идущие экологиче-
ские последствия. Расчеты предполагаемых изменений окружающей
среды при взрыве десятков, а может быть и сотен ядерных зарядов,
проводились и моделировались в ведущих научных центрах и их результаты неутешительны. Предполагается, что пожары и разрушения
будут таких масштабов (не говоря уже о количестве жертв), что атмосфера Земли будет надолго задымлена до такой степени, что солнечный свет и тепло не будут достигать поверхности и наступит так
называемая ядерная зима. Температура может понизиться до – 20 °С
на период в несколько лет, и тут комментарии, по-видимому, излишни, и так ясно, что вымирание громадных масс людей, не готовых к
столь быстрым и столь радикальным изменениям климата, неизбежно. Будет полностью уничтожен кислородный слой верхней атмосферы, для этого достаточно всего лишь одновременного запуска
70 баллистических ракет, даже без всяких взрывов, только запуски,
протыкающие атмосферу.
102
Последствия ведения военных действий с использованием ядерного оружия можно было бы перечислять и дальше, но и так уже ясно, что победителя в ядерном конфликте не будет.
Несмотря на этот очевидный вывод ядерные приготовления продолжаются, и каждая страна хотела бы обладать ядерным оружием. В
условиях продолжающейся поляризации мира могут появиться страны и режимы, которым нечего терять – они и так вымирают. Повидимому, единственный выход из этого положения такой, что развитые страны должны эти вымирающие страны так или иначе кормить, что фактически уже и происходит. В итоге реальное развитие
ситуации непредсказуемо.
Обратимся к ядерным приготовлениям в мирное время.
В настоящее время в мире накоплено около 42 тыс. боеголовок.
Даже с учетом возможных отказов техники, потерь в ходе предполагаемых военных действий и др. количество это, требующее дорогостоющего хранения, далеко выходит за границы разумного. Поэтому
великие державы сокращают число ядерных зарядов, но процесс этот
не простой и не быстрый, поскольку партнеры не доверяют друг другу и должны взаимно контролировать процесс сокращения. В 1961–
1962 гг. были самые массовые испытания ядерного оружия. Именно
тогда, в 1961 г. на полигоне на о. Новая Земля была взорвана самая
мощная в истории водородная бомба. Чтобы самолет уцелел, т.е. успел бы отлететь на должное расстояние, бомбу сбрасывали на парашюте. Вспышка была видна в Норвегии, а сейсмографы всего мира
зафиксировали ее. В этот период гонка ядерных вооружений приняла
чудовищные масштабы.
Работали полигоны на Новой Земле, в Семипалатинске, в Неваде,
на аттолах Тихого океана, в Сахаре, в провинции Сицзян. Именно в
те годы в атмосферу Земли были заброшены основные массы делящихся радиоактивных материалов, а сама атмосфера подверглась
интенсивному изучению. Была создана 5-резервуарная модель атмосферы академика Матвеева, актуальная до сих пор. Наконец, в 1963 г.
был введен запрет на испытания в атмосфере. К этому времени было
произведено следующее количество взрывов:
США – 1036 Китай – 43
СССР – 715 Индия – 1
Англия – 210 Пакистан – 1
Франция – 48
103
Подозреваются в тайном владении ядерным оружием (поскольку
действует Закон о нераспространении) Израиль, ЮАР. Ныне к подозреваемым присоединились Ирак, Иран, С.Корея, но Ирак, похоже,
отпал в результате последней войны.
Радиоактивный фон от испытаний 60-х годов, вне зависимости от
того, где находятся радиоактивные материалы, в атмосфере или уже
выпали в биосферу, будет экспоненциально спадать долгие годы, не
менее 300…500 лет. Надеяться на очищение биосферы можно только
в ходе процессов захоронения радиоактивных загрязнений в отложениях литосферы и океана.
Отдельную проблему представляет ядерный флот, в основном
подводные лодки, ныне являющиеся главной ударной силой и в
США и в России. Сейчас на вооружении находится пятое поколение
ядерных подлодок, примерно одинаковых параметров у обеих стран.
Размером с футбольное поле, экипажем свыше 100 человек, они могут находиться в автономном плавании до полугода (может быть, и
больше). Они несут 24 баллистические ракеты с ядерным зарядом и
могут поразить любую цель из любой точки Мирового океана с точностью в 10…100 м, обеспечиваемой наведением из космоса, где у
каждой страны ныне имеется военная группировка автоматических
спутников числом до сотни и более. Но и это не все. У этих ракет
имеется по 10 разделяющих головок, каждая из которых может быть
наведена на свою отдельную цель. Чисто военные качества вооружений можно обсуждать долго, но нашей целью является оценка влияния этих вооружений на окружающую среду.
Прежде всего, обратим внимание на одну существенную деталь
современных вооружений. У них имеется так называемый регламентный срок эксплуатации, или просто «регламент». Вне зависимости от того, исправно оружие и боеприпасы или нет, после истечения
регламента они должны быть сняты с вооружения и заменены новыми. Эта непрерывная замена вооружений проводится в интересах
боеготовности, проверять которую в момент внезапно начавшегося
конфликта не представляется возможным. Сколько стоит эта ротация
вооружений, можно только догадываться.
По некоторым данным, до сего времени построено 230 атомных
подводных лодок (АПЛ), из которых 150 уже сняты с эксплуатации и
должны быть утилизированы. За последние 30…40 лет неоднократно
происходили аварии с АПЛ, в ходе которых погибло около 700 человек. По некоторым оценкам, на дне Мирового океана лежит около
60 реакторов с невынутой (а чаще всего оплавленной) активной зо-
104
ной, 17 из них затоплены в Карском море, к востоку от о. Новая Земля. Коррозийная стойкость корпусов в агрессивной морской среде
оценивается примерно в 500 лет. Все они должны быть подняты и
обезврежены в течение этого срока, а некоторые даже неизвестно где
лежат и на какой глубине. Каждый из этих аварийных реакторов
представляет собой потенциальный Чернобыль.
Почему так? Дело в том, что в ядерных реакторах АПЛ использу-
ется уран с обогащением 96…97 %, в то время как на АЭС степень
обогащения урана, из которого изготавливают ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), составляет всего 4,5 %. Иными словами, активность реактора АПЛ в 20 с лишним раз выше. Делается это для того,
чтобы иметь запас мощности для маневра, необходимого в условиях
ведения военных действий. Ведь даже обыкновенные автомашины
имеют установленную мощность в 10–20 раз больше необходимой
для нормального движения.
Кроме того, на дне Мирового океана находится около 200 ядер-
ных боеголовок, потерянных по разным причинам самолетами и
подлодками. Их также необходимо найти и поднять.
И есть еще наземные ядерные потенциалы, размеры которых, как
и стоимость их ликвидации, не поддаются оценке.
Обратимся к мирной атомной энергетике. В печати и по ТВ вы
можете слышать, что атомная энергия самая экологически чистая,
самая дешевая и в будущем без нее обойтись невозможно.
Так ли это? Остановимся на этих в буквальном смысле слова
«мифах» об атомной энергетике.
Миф первый – чистота. Да, сжигания ископаемых топлив: угля,
нефти, газа, а вместе с ним химического загрязнения удается избежать, но остается загрязнение радиоактивное, которое по своим генетическим последствиям гораздо хуже. Утечки при нормальной эксплуатации существуют за счет микротрещин в обмуровке жидкометаллического контура АЭС. Для того чтобы их прекратить, требуется
выполнить в герметичном исполнении (как вакуумные или космические аппараты) целую отрасль промышленности, а это не под силу не
только любой даже очень богатой стране, но и человечеству в целом,
если бы оно такую задачу себе поставило. Имеется также наведенная
радиация у оборудования, которое после срока использования необходимо захоронять как радиоактивные отходы. Имеется также наведенная радиация, уходящая с вентилируемым воздухом (и пылью) –
именно она попадает в окружающую среду через трубы АЭС. Косвенное доказательство постоянных утечек радиации при нормальной
эксплуатации получено при обследовании состояния лесных экосистем в окрестностях Ленинградской АЭС (рис. 7.1).
105
Рис. 7.1
На рисунке по оси абсцисс отложено расстояние в километрах от
Санкт-Петербурга на запад; на 95-м км расположен город Сосновый
Бор, на 100-м – ЛАЭС. По оси ординат отложен интегральный коэффициент сохранности лесных экосистем – ИКС. На графике видно,
что кривая образована действием трех факторов.
1. Влияние на состояние леса атмосферных выбросов крупного
промышленного центра – общий наклон кривой в сторону Санкт-Петербурга.
2. Вытаптывание леса жителями (рекреационная нагрузка) – про-
вал в районе города.
3. Небольшой прилив сразу после ЛАЭС – стимуляция роста лес-
ных сообществ под действием малых доз радиации, которые в большей степени поражают насекомых-фитофагов.
Что такая стимуляция имеет место, доказывают кривые на рис. 7.2,
полученные на радиационном γ-поле источника Всероссийского института растениеводства под Москвой. До дозы 0,5 рентгена в час
растительность стимулируется излучением.
Миф второй – дешевизна.
Да, если считать, что в систему Министерства промышленности и
энергетики РФ ядерные делящиеся материалы поступают из Военного ведомства даром как отходы войны (военных приготовлений), то
да, электроэнергия, выработанная на АЭС при таких подсчетах, будет дешевле. Но если учесть стоимость обогащения урана, то дешевле было бы топить АЭС золотом, чем ураном.
106
Рис. 7.2
Дело в том, что в месторождениях процент урана в руде очень
мал. Руду после добычи сначала обогащают в гидрометаллургическом цикле, для чего ее размельчают до тонкого порошка, образующего в специальных бассейнах пену, в которой степень обогащения
достигает 0,8 %. Брикеты спрессованного концентрата перевозят на
другое производство, где концентрат снова размалывают до тонкодисперсного порошка, который в специальных реакторах переводится в газ UF
под давлением пропускают через большое число очень тонких
UF
6
(еще и фтор надо добыть, а он сильно ядовит). Затем газ
6
(их иногда называют молекулярными) сит, 10 тыс. сит, 20 тыс. сит
и т.д., пока не достигается концентрация в 4,5 %. Энергия, требуемая
для осуществления этой технологии, намного превосходит получаемую затем из ТВЭЛов на атомных электростанциях, и другой технологии за последние 50 лет не появилось. Есть данные по энергетике
США (наши засекречены). Так, в 1973 г. доля АЭС в энергобюджете
США составила 3,2 %. В этом же году два обогатительных завода в
США потребили 5,7 % энергобюджета, получая эту электроэнергию
от электростанций в Пенсильвании, работающих на угле. Статья, в
которой были опубликованы эти данные, так и называется: «АЭС
работают на угле». И с тех пор ничего не изменилось. Фактически
это означает, что атомной энергетики в строгом физическом смысле
нет вообще. Есть попутное использование в энергетике части энер-
107
гии, потраченной на обогащение урана для военных целей. С тех пор,
размышляя над фразой «АЭС вырабатывают энергию», приходишь
в выводу, что она трижды ложна. Во-первых, в смысле затрат энергии на обогащение урана. Во-вторых, потому, что энергию «выработать» вообще невозможно, ведь действует закон сохранения энергии.
В-третьих, потому, что необходимо помнить, что в условиях частной
собственности и рынка любое предприятие на самом деле в первую
очередь «вырабатывает» прибыль, без чего оно автоматически прекращает существование, а потом уже ту или иную продукцию.
Крупнейшей трудноразрешимой проблемой ядерной энергетики
остается захоронение радиоактивных отходов. Первоначально, в 50-е
годы их просто сливали в океан, но вскоре выяснилось, что, двигаясь
и концентрируясь по трофическим цепочкам, эти отходы с рыбой
попадают на стол человека. В 60-е годы возникла идея захоронять
отходы ядерных реакций в соляных толщах в отработанных соляных
шахтах. Полагали, что поскольку соль сохранилась, а она хорошо
растворима, то грунтовых вод здесь нет. К тому же соль пластична и
микротрещины должны герметизироваться. Так и поступили в ФРГ,
но годы наблюдений за этими захоронениями опровергли обе надежды: и пластичность соли оказалась недостаточной, и вода в этих горизонтах обнаружилась.
Была идея захоронения отходов в ледниковом щите Антарктиды,
имеющем толщину 3 и даже 4 км. Но горячие (до 800 °С, а меньше
экономически невыгодно) контейнеры протают эту толщу льда за
3…3,5 года и на скальном ложе антарктического континента будут
истерты в порошок при движении ледника, после чего просачивание
их в океан станет весьма вероятным, поскольку под ледником при
тамошних давлениях вода (вполне возможно) находится в переохлажденном жидком состоянии.
Была идея вывода отходов ракетами на траекторию падения на
Солнце, для чего необходимо разгонять эти грузы до скорости 17 км/с
(вторая космическая скорость, или скорость отрыва от Земли). Однако
стоимость такого транспорта составила бы 1240 долл. за килограмм,
а опасность аварии ракеты в атмосфере Земли слишком велика. По
этому поводу один ученый остроумно заметил, что зачем же тащить
на Землю ядерные реакции, которые происходят на Солнце, на безопасном расстоянии от Земли, не лучше ли пользоваться результатом
этих реакций, т.е. солнечной энергией?
Проблема захоронения ядерных отходов пока не решена и в пределах биосферы Земли, которая в геологическом масштабе времени
108
представляет собой в буквальном смысле слова кипящий котел; даже
намека на решение пока нет.
Основными осколками U
90
ся Sr
, Cs
134
и Cs
137
, имеющие период полураспада 28…32 года. Под-
235
в результате реакции деления являют-
черкиваем – полураспада, а не распада, т.е. через 30 лет останется половина от исходного количества: еще через 30 лет, т.е. через 60 лет после
начала процесса – четверть, через 90 лет – одна восьмая и т.д. Спад радиоактивности идет по экспоненциальному закону (рис. 7.3).
Рис. 7.3
Значит, нужно как минимум 300 лет, чтобы активность снизилась
хотя бы в 1000 раз.
На такой срок захоронить высокоактивные отходы вполне воз-
можно в том же ледниковом щите Антарктиды, если воспрепятствовать опусканию горячих контейнеров на дно, т.е. подвесить их во
льду на длинном тросе или стержне, отдалив на достаточное расстояние от горячей зоны (рис. 7.4). Даже если дыра во льду окончательно не замерзнет, контейнер может быть удержан от опускания
вниз с помощью ледового якоря. Преимуществом такого хранения
является возможность контроля на всем протяжении маршрута движения ледника к морю продолжительностью до 500 лет и более, для
чего при скорости ледника около 20 м/год потребуется расстояние
всего 10 км. Иными словами, в структуре антарктического льда, в
известных, стабильных и контролируемых условиях отходы можно
захоронить практически навечно. Эта идея просчитывается на ка-
109
федре теплофизики и экологии металлургического производства Московского института стали и сплавов.
Рис. 7.4
Проблема аварий на ядерных объектах также не снята. Многолетняя практика промышленных аварий убеждает нас в том, что создать
совершенную безаварийную систему, скорее всего, невозможно.
Проблема ядерного терроризма тоже никуда не делась. Всякая
технология в ходе своего развития упрощается – это всеобщая закономерность, которой не избежала и ядерная технология. Уже, в частности, объявлено о создании (ядерными державами) миниатюрного
ядерного заряда тактического применения. А создание совершенной
системы охраны, скорее всего, такая же иллюзия, как и безаварийность.
И наконец, надо сказать о продвижении в проблеме термоядерного синтеза. Создан Мировой консорциум в составе США, ЕЭС, России и Японии и объявлено о начале строительства опытной промышленной установки ТЯЭС во Франции, вблизи Марселя, которая
должна начать действовать в 2018 г. Причем половину затрат Франция берет на себя.
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]