Калин Материаловедческие проблемы екологии в области ядерной енергетики 2010

2.3. Энергетика и экология

2.3.1. Традиционные виды энергетики

Рассмотрим вначале экологические проблемы тепловой энергетики. Тепловые электростанции (ТЭС) в наибольшей степени способствуют разрушению биосферы и природной среды Земли, в частности, за счет выброса в атмосферу СО2, золы, что приводит к созданию парникового эффекта. Кроме того, в атмосферу выбрасывается огромное количество диоксида серы (SO2) и оксидов азота (NO, NO2). Наибольшую опасность создают угольные ТЭС. Для добычи угля из сельского хозяйства и других сфер изымаются огромные земельные площади. В местах открытой добычи угля образуются «лунные ландшафты». В районе работы угольных ТЭС наблюдается наибольшая остаточная радиоактивность. Все тепловые энергетические установки мира выбрасывают в атмосферу за год около 250 млн т золы, 60 млн т сернистого ангидрида, 20 млн т диоксида серы и 10 млн т оксидов азота. По современным нормативным документам (в США они самые жесткие) к 2010 г. планируется снизить эти выбросы более чем вдвое, например, зольность в США – до 9 %, в Англии – до 22 %, в России – до

70 %.

В Европе эта проблема еще более остра, чем в США, так как в Западной и, особенно, Восточной Европе нет качественного угля. Преимущественно сжигается бурый уголь, который наносит огромный вред природе. Кроме того, при добыче такого угля выделяется пыль, содержащая оксиды Al и Si, т.е. частицы абразивного материала, что приводит к заболеванию силикозом. В продуктах сгорания органических топлив всегда присутствуют канцерогенные вещества, грозящие раковыми заболеваниями. Среди них самый распространенный бензапирен. В воздухе его ПДК не должна быть более 0,001 мкг/м3. К сожалению, во многих крупных промышленных городах России содержание бензапирена в несколько раз больше. Учитывая огромное количество сжигаемого органического топлива, даже небольшая природная радиоактивность его приводит к повышенному радиационному фону в районе ТЭС. На территориях, прилегающих к атомным станциям, повышенная радиация, как правило, не наблюдается.

Из всех видов органического топлива самым экологически чистым является природный газ, поскольку значительную часть энерго-

41

выделения дает окисление водорода, доля которого в природном газе велика. Однако во многих странах газа очень мало или вообще нет.

Использование газа с точки зрения экологии таит в себе другую угрозу. Транспортировка и хранение жидкого и, особенно, газообразного топлива крайне взрывоопасны. Известно много фактов взрывов бытового газа в жилых домах. Но самая крупная авария в нашей стране произошла в 1989 г. в Башкирии. В 23 ч 13 мин 3 июня при прохождении встречных поездов на одном из железнодорожных перегонов Улу-Теляк произошел взрыв скопившейся вблизи полотна газовоздушной смеси, которая поступала из разрушенного газопровода. В результате взрыва от двух поездов было оторвано и сброшено с пути 11 вагонов, 7 из них сгорели полностью, остальные 26 сильно повреждены и обгорели. В поездах следовало около 1200 чел., из них 780 погибло на месте катастрофы, остальные остались живы, но нуждались в неотложной медицинской помощи. Аналогичные, но, к счастью, в меньшем масштабе, трагедии были в Арзамасе и Свердловске.

Одним из наиболее распространенных и экологически чистых источников энергии в большинстве стран является гидроэнергетика. Однако обольщаться экологической чистотой гидроэнергетики не стоит. При строительстве ГЭС происходят перераспределение грунтовых вод, цветение воды, уничтожение нерестилищ ценных пород рыб, влияние больших объемов воды (в России – до 6500 км2) на изменение регионального климата. Подъем грунтовых вод приводит к подтапливанию и заболачиванию близлежащих территорий и, как результат, к изъятию сельскохозяйственных угодий. После строительства на Волге каскада из восьми ГЭС места нерестилищ осетровых рыб сократились более чем в 10 раз.

Гидроэнергетика наиболее эффективна только в гористых районах, однако крупные высотные плотины опасны в районах с повышенной сейсмичностью. В 1979 г. в индийском штате Гуджерат произошла крупнейшая катастрофа – прорыв плотины «Морви-Мачу». При этом пострадали 15 000 чел., погибло более 2000.

Последняя крупная авария в России произошла на СаяноШушенской ГЭС 17 августа 2009 г. Из-за катастрофически изношенного оборудования второй агрегат смыло огромной волной воды. Разрушило кровлю, были затоплены все четыре уровня машинного зала. Разрушения получили все 10 агрегатов. Погибло более 70 сотрудников ГЭС. Только героическими стараниями оставшихся сотрудников уда-

42

лось избежать больших жертв и затопления близлежайших населенных пунктов.

2.3.2.Альтернативные виды энергетики

Кпринципиальным трудностям использования кажущейся неисчерпаемой солнечной и ветровой энергии относится ее низкая интенсивность. Большинство возобновляемых источников собирают крайне разреженную энергию, требуя при этом значительного отчуждения земель (табл. 13). Даже при наилучших атмосферных условиях

(южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт/м2.

Таблица 13

Площади отчуждаемых земель для выработки 1 МВт/год

Коэффициент готовности солнечной и ветровой энергетики составляет всего 20 40 % в основном из-за зависимости от погодных условий, неконтролируемых человеком, в гидроэнергетике достигает величины порядка 50 %, а ядерной энергетике до 80 %.

Наиболее перспективными из альтернативных источников энергии являются ветровая, геотермальная и солнечная энергетика. В начале XXI века суммарные установленные мощности солнечной фотоэлектрической энергетики достигли 5 ГВт, геотермальных электростанций – около 6 ГВт, а мощность всех ветрогенераторов составила

94 ГВт.

Наивысшего развития ветровая энергетика достигла в Германии. В 2007 г. в этой стране суммарная установленная мощность эксплуатируемых ветродвигателей достигла величины 22 ГВт и составила более 14 % всей произведенной в Германии электроэнергии за год. Однако ветровая энергетика связана с большим отчуждением земли. Так, комплекс ветроэнергетических установок, эквивалентный по выходу энергии ТЭС электрической мощностью 1000 МВт, требует экс-

43

плуатации более 4000 крупных ветродвигателей и занял бы до 1000 км2 земли. Ограниченность возможности дальнейшей экспансии ветровой энергетики на суше приводит к необходимости распространить свое влияние и на прибрежные территории. Более 15 % ветродвигателей в Германии расположены в прилегающих морях. Добавим, что ветряная энергетика даже в Германии остается до сих пор дотационной: цена за киловатт-час составляет 9 центов при средней цене электроэнергии по стране – 2,5 цента/(кВт ч). Кроме того, громоздкие ветряные энергетические установки являются источником повышенного шума на значительной территории, создают помехи в приеме теле- и радиосигнала и могут привести к гибели птиц.

Важное место в отдельных странах по используемости занимает геотермальное тепло. Мировой океан – крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. В нем между теплыми, поглощающими солнечное излучение поверхностными водами, и более холодными придонными достигается разность температур до 20 °С, что обеспечивает непрерывно пополняемый запас тепловой энергии, которая принципиально может быть преобразована в электроэнергию. Приближенная оценка показывает, что при средней по Мировому океану разности температур в 12 °С между поверхностью и глубинами примерно в 400 м, общая величина запасенной тепловой энергии составляет 15∙1023 Дж. В США суммарная мощность ГеоТЭС превышает два миллиона киловатт (около 0,5 % всех электростанций страны), а

Основное воздействие на окружающую среду геотермальные электростанции оказывают в период разработки месторождения, строительства паропроводов и зданий станций. Например, для работы станции мощностью 1000 МВт требуется 150 скважин, которые занимают территорию более 19 км2. Геотермальные станции, имея КПД в 2–3 раза меньше, чем АЭС и ТЭС, дают в 2 3 раза больше тепловых выбросов в атмосферу. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов и химических соединений, а также радионуклидов. К отрицательным последствиям гидротермальной энергетики можно отнести возможные утечки загрязняющих океан веществ и выделение из воды в атмосферу CO2.

44

Солнечная энергетика, как и большинство альтернативных источников, относится к наиболее металлоемким видам производства энергии. Согласно расчетам изготовление простейших коллекторов солнечного излучения площадью 1 км2 требует примерно 10 000 т алюминия. Создание глобальной системы гелиоэнергетики поглотило бы, по крайней мере, 20 % известных мировых ресурсов железа и алюминия. Кроме того, использование энергии солнца малоперспективно в холодных странах, особенно в нашей. Солнечная энергетика на фотоэлементах связана с производством ряда опасных и ядовитых веществ: свинца, кадмия, галлия, мышьяка, а также с необходимостью их утилизации после ограниченного срока службы (30 50 лет) в массовом количестве. Основной материал, из которого делают солнечные батареи – арсенид галлия (AsGa), т.е. соединение металла с сильнейшим ядовитым веществом мышьяком.

Потенциальные возможности альтернативных и возобновляемых источников энергии составляют, млрд т у.т. в год:

энергии солнца – 2300; энергии ветра – 26,7; энергии биомассы – 10; тепла Земли – 40 000; энергии малых рек – 360;

энергии морей и океанов – 30; энергии других источников тепла – 530.

Ради справедливости следует привести пример еще одного экологически чистого вида энергии. Это биомасса: тягловая сила, навоз и т.п. Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями являются наиболее экологически безопасными. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твердые органические вещества теряют запах, в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы и образуется дополнительный корм для скота и удобрения. Такой вид энергии характерен только для слаборазвитых стран и примерно в три раза превосходит там потребление других видов энергии. Однако такой вид энергии малоэффективен.

Все перечисленные виды энергетики экологически самые чистые, чего не скажешь о традиционной теплоэнергетике.

45

В дальнейшем более подробно рассмотрим влияние на экологию атомной энергетики. Проблема это настолько важна, что в Обнинске в институте атомной энергетики в 70-х гг. прошлого столетия был создан специализированный Информационный экологический центр (ИНЭЦ), который до сих пор занимается именно этой проблемой.

2.3.3. Экологические проблемы ядерной энергетики

В случае безаварийной работы АЭС не производят практически никакого загрязнения окружающей среды. Правда, в результате работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность. Однако объем радиоактивных отходов относительно мал, они компактны, и их можно безопасно хранить, если правильно соблюдать условия, гарантирующие отсутствие утечки продуктов деления (ПД). К тому же АЭС в целом экономичнее обычных тепловых станций.

Тем не менее атомная энергетика связана с повышенной опасностью для людей и природы в случае аварий с разрушением атомных реакторов, аварий при длительном хранении и при захоронении радиоактивных отходов. Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности. Наиболее крупные из них: 1957 г. – в Уиндскейле (Англия), 1959 г. – в Санта-Сюзанне (США), 1961 г. – в Айдахо-Фолсе (США), 1979 г. – на АЭС «Три Майл-Айленд» (США), 1986 г. – на Чернобыльской АЭС (СССР) и последняя 25 августа 2008 г. во Франции на АЭС «Три Кастен», когда произошел выброс радиоактивной пыли.

ВРоссии в настоящий момент на девяти АЭС (в СССР их было

15)работают 48 энергоблоков, суммарная мощность которых 23,8 ГВт. Это уран-графитовые канальные реакторы типа ЭГП-12, реакторы большой мощности канальные типа РБМК, водо-водяные реакторы ВВЭР и реактор на быстрых нейтронах БН-600, а именно:

1.Билибинская АЭС, реакторы ЭГП-12, ввод по блокам с 1974

по 1980 г.

2.Ленинградская АЭС, реакторы РБМК-1000, ввод по блокам с

1973 по 1985 г.

3.Курская АЭС, реакторы РБМК-1000, ввод по блокам с 1976

по 1985 г.

46

4. Смоленская АЭС, реакторы РБМК-1000, ввод по блокам с

1982 по 1990 г.

5. Нововоронежская АЭС, реакторы ВВЭР-440, один с ВВЭР1000, ввод по блокам с 1971 по 1990 г.

6.Кольская АЭС, реакторы ВВЭР-440, ввод по блокам с 1973

по 1990 г.

7.Калининская АЭС, реакторы ВВЭР-1000, ввод по блокам с

1984 по 1992 г.

8.Балаковская АЭС, реакторы ВВЭР-1000, ввод по блокам

1985 по 1995 г.

9.Белоярская АЭС, реактор БН-600, ввод в эксплуатацию в

1980 г.

К 2020 г. планируют ввести дополнительно мощностей на 57,4 ГВт, а к 2050 г. – 100 ГВт за счет РБН БН-800, а затем и БН-1800.

Практически все АЭС у нас и, особенно, в Европе расположены

вгустонаселенных частях страны (табл. 14). В 30-километровой зоне этих АЭС проживает более 5 млн чел. Поэтому нельзя забывать о безопасности и здоровье людей и целостности природы, так как ошибки в процессе эксплуатации могут привести к катастрофическим последствиям.

Таблица 14

Географическая плотность мощности АЭС в разных странах, кВт/км2

Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) содержит большое количество высокоактивных продуктов деления и представляет огромную опасность для человека и окружающей среды. Необходимость переработки ОЯТ или более полное его сжигание диктуются не столько эко-

47

номической выгодой, сколько экологической безопасностью. Общественность многих стран, в том числе стран – производителей ядерной энергии, продолжает обсуждать вопрос о будущем ядерной энергетики. При этом средства массовой информации оценивают перспективы развития ядерной энергетики по-разному: от стагнации до удвоенного роста. В некоторых странах (Швеция, Германия и Литва) на законодательном уровне принимаются решения о закрытии АЭС. Это связано в первую очередь с последствиями шока, вызванного аварией на Чернобыльской АЭС.

48

3. ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Как уже говорилось, при нормальной работе АЭС радиоактивное загрязнение окружающей среды маловероятно. Однако возникают внештатные ситуации, в том числе и аварии. При этом могут происходить:

выбросы радиоактивных веществ;

перенос радиоактивности в окружающей среде.

Наиболее аварийно-опасными реакторами у нас в стране проявили себя РБМК. С момента их создания зафиксировано четыре серьезных аварии с разрушением тепловыделяющих элементов (твэл) и выбросом радиоактивности: 1975 г. – Ленинградская АЭС, 1992 г. – опять Ленинградская, 1986 г. – Чернобыльская и 1992 г. – снова Ленинградская. Для сравнения, на ВВЭР таких аварий не было ни разу.

Выбросы радиоактивности и токсичных веществ из систем АЭС могут приводить к наиболее вредным воздействиям на человека и окружающую среду. Эти выбросы делят на газовые и аэрозольные, выбрасываемые в атмосферу через трубу, и жидкие сбросы, в которых вредные примеси присутствуют в виде растворов или мелкодисперсных смесей, попадающих в водоемы. Возможны и промежуточные ситуации, как при некоторых авариях, когда горячая радиоактивная вода выбрасывалась в атмосферу и разделялась на пар и воду. Различные радиоактивные вещества по-разному проникают в организм человека. Это зависит в первую очередь от химических свойств самого радиоактивного элемента.

3.1. Виды радиоактивного излучения

Радиация – обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается в природе, другие получаются искусственным путем. Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Одним из источников ионизирующих излучений является радионуклид – атомное ядро, способное к радиоактивному распаду. Все виды ионизирующих излучений делятся на корпускулярные и электромагнитные. Последние имеют ту же природу, что и видимый свет, солнечные лучи и радиоволны, отличаясь лишь длиной волны (табл. 15).

49

Корпускулярное излучение может состоять как из заряженных, так и нейтральных частиц.

Альфа-излучение представляет собой ядра гелия, которые испускаются при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца или образуются в ядерных и термоядерных реакциях.

Бета-излучение – это электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых легких до самых тяжелых.

Космическое излучение приходит на Землю из космоса. В его состав входят преимущественно протоны и ядра гелия. Более тяжелые элементы составляют менее 1 %. Проникая вглубь атмосферы, первичное космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими в состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.). Пример: северное (южное) сияние.

50