Калин Материаловедческие проблемы екологии в области ядерной енергетики 2010

УДК 539.2(075) ББК 22.37я7 К17

Калин Б.А., Польский В.И., Якушин В.Л., Чернов И.И.

Материаловедческие проблемы экологии в области ядерной энергетики: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 184 с.

Рассмотрены общие вопросы экологии. Дан сравнительный анализ экологических проблем в различных областях энергетики. Особое внимание уделено материаловедческих проблемам экологии в области ядерной энергетики. Рассмотрены вопросы выемки, временного хранения, транспортировки, переработки или захоронения отработавшего ядерного топлива.

Пособие написано в соответствии с программами учебных дисциплин «Материаловедческие проблемы экологии» и «Проблемы экологии в ядерной энергетики», являющихся составной частью учебных дисциплин для студентов, обучающихся по специальности 150702 «Физика металлов», специализации 140426 – «Реакторное материаловедение и магистерской программы по направлению 140400 «Техническая физика».

Предназначено для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся в области материаловедения, атомной энергетики и техники безопасности, ядерной энергетике, изучивших курсы общей физики, физики прочности, основ материаловедения, радиационной физики твердого тела и осваивающих смежные специальности.

Рецензент канд. техн. наук, доц. В.Н.Яльцев

ISBN 978-5-7262-0942-5 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010

2

5

ВВЕДЕНИЕ

Экология наука о взаимодействии растительных и животных организмов друг с другом и с окружающей средой. Впервые термин «экология» был применен Эрнстом Геккелем в 1869 г. Слово экология образовано от греческого «oikos», что означает «дом» и «logos» наука, т.е. буквально переводится как наука о собственном доме и процессах, происходящих в нем. Экологические исследования, как таковые, начали появляться только в начале ХХ в. Тогда же экология оформилась как самостоятельная наука.

Соседней с экологией является наука этология, которая занимается изучением поведения животных в разных средах обитания.

Изучением обмена веществ и энергий в естественной среде занимается наука синэкология.

Воздействием внешней среды на целые популяции, в том числе и на человека, занимается наука под названием демография.

Проблемы экологии особенно обострились в последние десятилетия, когда резко возросло население земли и стала доступна информация об окружающей среде.

Биосфера область земной поверхности, населенная жизнью. Термин был впервые введен австрийским геологом Эдвардом Зюссом в 1873 г. Несколько десятилетий спустя русский геохимик и минералог В.И. Вернадский в своих трудах фактически открыл заново это понятие. Он ввел представление о развитии биосферы в ходе всей геологической истории Земли. Это понятие охватывало нижние слои атмосферы (тропосфера), океан (гидросфера) и поверхностную оболоч-

ку суши (литосфера).

Таким образом, биосфера делится на воздушную, водную и геологическую части. На границе суши и водной среды формируется обширная область, населенная фотосинтезирующими организмами. Это наиболее продуктивный слой на суше вместе с верхними слоями гидросферы, в которые проникает солнечный свет.

Экосистема – единство на данном участке биосферы всех живых организмов и взаимодействие их с физической средой. Экосистема имеет два компонента, разделенные во времени и пространстве:

автотрофный компонент (самостоятельно питающийся) с фиксацией световой энергии, использующий простые вещества для построения сложных;

6

гетеротрофный компонент (питающийся другими) с утилизацией, перестройкой и разложением сложных веществ.

Гетеротрофы в свою очередь делятся на две категории: биофаги – поедающие другие живые организмы; сапрофаги – питающиеся мертвым органическим веществом.

Экосистема включает в себя биотоп (от греческого bios жизнь + topos место) – относительно однородное пространство среды в пределах водной, наземной и подземной частей биосферы, включающее элементы неорганической основы: рельеф, воды, грунт, почву, микроклимат, освещенность и т.д.

Биотопные факторы среды это компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Основные из них: температура, свет, вода, кислород, магнитное поле Земли и почва.

Биотоп совместно с биоценозом (совокупностью всех организмов данного биотопа) составляет единый биогеоценоз.

Элементарной единицей в экологии считается живая особь. Совокупность особей одного вида, занимающая определенную территорию, способная обмениваться между особями генетической информацией и устойчиво поддерживать свое существование, носит название

популяция.

Основными характеристиками популяции является плотность – среднее число особей на единицу площади или объема, численность, рождаемость, смертность, выживаемость, возрастное распределение.

Если обеспечить популяцию всем необходимым, она будет размножаться в соответствии с экспоненциальным законом, пока не займет все пространство. Но такая модельная система имеет ограниченное время существования. Безграничный рост популяции невозможен из-за нехватки продуктов питания, растущей смертности, связанной с отравлением среды обитания продуктами жизнедеятельности и т.д.

Развитие экосистем управляется как внутренними, так и внешними факторами.

Для наземных экосистем внутренними факторами являются: состав приземного воздуха, содержание O2 и CO2;

температура почвы, влажность, аэрация, физико-химические свойства, химический состав, содержание гумуса, окислитель- но-восстановительный потенциал и доступность элементов минерального питания;

7

плотность популяций разных видов, их возрастной и половой состав, морфологические, физиологические и поведенческие характеристик,

внешними:

интенсивность солнечной радиации; температура и влажность воздуха; интенсивность атмосферных осадков; скорость ветра;

скорость заноса семян и других зародышей или притока взрослых особей из других экосистем;

антропогенное воздействие.

Для водных экосистем внутренние факторы:

свойства активного слоя воздуха над водной поверхностью (температура, скорость ветра);

свойства водной толщи (освещенность, прозрачность/мутность, температура, соленость, содержание O2 и CO2, биогенных элементов, растворенных и взвешенных органических веществ, кислотность);

механические и химические свойства донного грунта;

биотические свойства (плотность популяций, их возрастной и половой состав, морфологические, физиологические и поведенческие характеристики),

внешние:

интенсивность солнечной радиации; скорость течения;

поступление растворенного и взвешенного вещества; приток организмов; наличие притока и оттока воды.

Часть земного шара, где существует современная жизнь, называется экосферой. Биосфера построена по иерархическому принципу: особь – популяция – сообщество – экосистема – экосфера – биосфера.

Экосфера в свою очередь является глобальной системой, объединяющей все современные экосистемы Земли. Ее протяженность по вертикали меняется от долей метра до десятков и сотен метров в лесах на суше и от единиц до тысяч метров – в морях и океанах.

Существование живых организмов обнаружено в диапазоне температур от 250 до +160 С и при давлениях от 0,001 до 3000 атм. Нижняя граница жизни в водной среде проходит на глубине 10 км.

8

Например, в Антарктиде на глубине 4 км было найдено подземное озеро «Восток», в котором обнаружены примитивные формы жизни. Верхняя граница условно располагается до слоя озона на высоте около 45 км над уровнем моря.

Общая биомасса живого вещества на Земле оценивается в 2,4∙1012 т сухого вещества. Ежегодное воспроизводство органической массы растениями составляет 17∙1010 т сухого вещества. В наземных экосистемах основная биомасса сосредоточена в зеленых растениях

(табл. 1).

Один из основных источников получения энергии в природе – фотосинтез. Общее количество энергии, которое связывается в результате фотосинтеза в органическом веществе зеленых растений в расчете на единицу площади и за единицу времени, называется валовая первичная продуктивность. Та же ее часть, которая остается после вычетов расходов на дыхание самих растений и поддержание потребностей их обмена веществ, носит название чистая первичная продуктивность. Продуктивность оценивается либо в тоннах сухого органического вещества, синтезированного на единице площади за год, либо чаще в энергетическом выражении Дж/(год∙м2).

Совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию по одинаковому типу. Например, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), они получают энергию от Солнца; травоядные животные – второй (уровень консументов); хищники, поедающие травоядных, – третий уровень и т.д. Человек – консумент четвертого уровня.

В результате последовательных превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно каждых порядков) и редуцентами (микроорганизмыразлагатели отмирающих организмов и продуктов их жизнедеятельности), выраженное количеством особей живых организмов (их биомассой) или заключенной в них энергией, на единицу площади в единицу времени.

Вторичную продуктивность определяют как процесс образования гетеротрофными популяциями (консументы и редуценты) новой биомассы, измеряемой в граммах сухого органического вещества или в единицах эквивалентной им энергии в расчете на единицу площади за единицу времени.

Образование нового органического вещества в основном осуществляется автотрофами – организмами, способными поглощать солнечную энергию, запасая ее в виде энергии химических связей с помощью фотосинтеза с выделением кислорода.

Значительно меньше органического вещества образуется при хемосинтезе – типе питания хемосинтезирующих бактерий, основан-

10