Последствия Чернобыльской аварии, проблемы ядерной энергетики. Экологическая безопасность человека
Реферат по экологии
04.11.2001
Радиоактивное загрязнение биосферы.
Радиоактивное загрязнение биосферы — это увеличение концентрации радиоактивных веществ в живых организмах и среде их обитания (атмосфере, гидросфере, почве) в результате деятельности человека. Интенсификация промышленного производства во второй половине XX в. привела к появлению на планете большой группы антропогенных радионуклидов. Их суммарная активность в среднем соизмерима с активностью естественного радиоактивного фона, но на некоторых участках техногенного радиоактивного фона может существенно превышать его. Антропогенные радионуклиды образуют две основные группы: искусственные радионуклиды, получаемые в результате ядерных реакций, и естественные, или природные радионуклиды (уран, торий и продукты их распада), концентрация которых на земной поверхности резко возросла за счет экологических процессов, связанных с перемещением их из более глубоких зон земной коры (например добыча урана). Это деление условно, поскольку образующиеся в естественных условиях легкие радионуклиды могут быть получены и искусственным путем например, тритий образуется в окружающей среде (в результате ядерных реакций химических элементов с космическим излучением) и в реакциях, искусственно вызванных делением или синтезом ядер. Стронций-90 также возникает в окружающей среде при спонтанном делении урана-238 и может быть получен искусственно.
Радионуклиды искусственного происхождения
Искусственные радионуклиды не свойственны биосфере, они появились лишь с середины XXв. в результате развития ядерных технологий военного и гражданского применения.
Радиоактивные вещества, образующиеся в результате ядерного взрыва, представлены в основном продуктами деления урана-238 и плутония-239, невыгоревшим ядерным топливом и материалами с наведенной активностью.
В зависимости от времени, прошедшего с момента взрыва до оседания частиц на земную поверхность, радиоактивные выпадения делятся на три вида.
1. Ближние, или локальные выпадения представлены относительно крупными (более 100 мкм) частицами, оседающими на землю преимущественно под действием силы тяжести. Локальные выпадения начинаются сразу после взрыва и продолжаются в течение последующих 1—2 суток, охватывая по мере переноса радиоактивного облака ветром все более обширную территорию. В результате локальных выпадений на земной поверхности образуется радиоактивный след шириной в несколько десятков и протяженностью в несколько сот километров. Крупные частицы, оседающие под действием силы тяжести, попадают непосредственно на земную поверхность, в т. ч. на растительность и животных, обусловливая их поверхностное загрязнение. Считается, что при наземных ядерных взрывах мегатонной мощности на ближние выпадения приходится до 80 %, а при атмосферных — около 10 %.
2. Промежуточные, или тропосферные выпадения представлены мелкими частицами (несколько микрометров и менее). Эти частицы формируются в тропосфере, ниже тропопаузы, на высоте 11—16 км.
Период полувыведения этих частиц из тропосферы составляет 20—30 суток. На тропосферные выпадения при наземных взрывах мегатонной мощности приходится 5%.
3. Глобальные, или стратосферные выпадения состоят из частиц от нескольких сотых до десятых долей микрометра, забрасываемых в стратосферу на высоту 10—30 км. Оттуда они переносятся в тропосферу струйными течениями и циклональными вихрями либо с воздушными массами через разрывы в тропопаузе.
В умеренных широтах глобальные выпадения с атмосферными осадками (влажные выпадения) составляют 60—70 % общей суммы радиоактивных выпадений, остальная их часть (30—40 %) представлена сухими выпадениями. Глобальные выпадения распределяются по всей поверхности земного шара.
Из глобальных выпадений в водный раствор переходит около 50 % общего количества радионуклидов, в водонерастворимой форме поступает до 95 % стронция-90 и до 70 % цезия-137, в растворимой форме — 30 % церия-144 и 40 % циркония-95. Из локальных и тропосферных выпадений от атмосферных взрывов, представленных частицами величиной до 20 мкм, в воде растворяется до 30 % (в основном это радионуклиды йода, цезия, стронция, бария).
Количество радиоактивных изотопов, образованных при ядерных взрывах, включающихся в пищевые цепочки, определяется не только тем, сколько их выпало из воздуха, но также структурой экосистемы и особенностями биогеохимических циклов. В целом в малопродуктивных местообитаниях значительная доля осадков включается в пищевые цепочки. В экосистемах с высокой продуктивностью интенсивность обмена веществ и большая сорбирующая емкость почвы или донных отложений обеспечивают такое разбавление осадков, что в растения они попадают в относительно небольшом количестве. Выпавшие радиоактивные осадки (особенно стронций-90 и цезий-137) доходят по пищевой цепочке до человека, но их содержание в тканях организма человека никогда не бывает таким высоким, как в тканях животных.
В результате работы реактора накапливаются продукты деления ядерного топлива, продукты нейтронной активации и остатки выгоревшего топлива. Продукты деления образуются преимущественно внутри тепловыделяющих элементов (твэлов) и там остаются, Выход за пределы оболочки твэлов ничтожно мал для всех радионуклидов, кроме трития (через оболочки из нержавеющей стали проникает около 80 % трития). В состав продуктов деления входят также благородные газы, летучие и нелетучие вещества. Все они являются бета- и гамма-излучателями и имею периоды полураспада от долей секунды да десятков лет. Среди продуктов нейтронной активации также присутствуют радионуклиды различного состава и продолжительности жизни. Отработанные твэлы выдерживают на территории АЭС в специальных бассейнах выдержки для распада короткоживущих радионуклидов, а затем отправляют на радиохимические заводы для переработки.
При нормальной работе АЭС поступление радионуклидов во внешнюю среду не значительно. Загрязнение окружающей среды в результате работы радиохимических заводов гораздо серьезнее. Значительный вклад в глобальное загрязнение биосферы предприятиями ядерного топливного цикла (ЯТЦ) вносят углерод-14, криптон-тритий и йод-129. Другие долгоживущие негазообразные радионуклиды (стронций-цезий-137, изотопы трансурановых элементов), поступающие в окружающую среду с выбросами предприятий ЯТЦ, рассеиваются на ограниченной территории, т. е. создают локальное загрязнение.
Помимо «плановых» выбросов, источником радиоактивного загрязнения окружающей среды являются аварии на ядерных реакторах. Основную опасность при этом представляют продукты деления и нейтронной активации, накопившиеся в активной зоне реактора. Условием их сохранения внутри твэлов является герметичность и достаточное охлаждение твэлов и кожуха. Перегрев топлива и оплавление активной зоны реактора могут произойти лишь в том случае, если количество тепловой энергии, выделяемой в процессе ядерной реакции, превысит величину, снимаемую теплоносителем. Тогда теплоноситель переходит в пар, который вместе с облаком газообразных продуктов деления может привести к избыточному давлению и взрыву. При разрушении защитного колпака продукты деления и нейтронной активации вместе с не разделившимся (невыгоревшим) топливом поступят во внешнюю среду и вызовут радиоактивное антропогенное загрязнение естественными радионуклидами (торий-232, уран-238, 1-235, продукты их распада, а также ка-40) может возникнуть при извлечении и переработке многих полезных ископаемых. В результате этих процессов в биосфере покоются локальные участки с концентрацией радионуклидов, существенно превышающей естественный радиоактивный фон. Такие участки относят к разряду малоактивных загрязнений. Однако участие в них долгоживущих естественных радионуклидов с очень большим периодом полураспада делает загрязнения подобного рода опасными, поскольку они могут существовать практически бесконечно. Подобная аномалия является постоянным источником высокоэнергетичных короткоживущих радионуклидов, среди которых особую опасность представляют газообразные изотопы радия. Все предприятия ядерного топливного цикла служат источниками поступления радионуклидов в окружающую среду, как в процессе производства, так и при их хранении и захоронении. Но основное количество радионуклидов поступает в атмосферу в процессе добычи и переработки урановой руды, разделения изотопов урана и производства ядерного топлива. Локальное (в некоторых случаях и глобальное) загрязнение биосферы тяжелыми естественными радионуклидами происходит главным образом на первом этапе — в процессе добычи и переработки урановой руды. И хотя здесь доля радиоактивного загрязнения окружающей среды не превышает 0,04 % загрязнения, которое дает полный ЯТЦ, именно добыча и переработка радиоактивного сырья оказывают общее загрязняющее воздействие на окружающую среду, учитывая высокую территориальную концентрацию производства. Основным источником естественных радионуклидов в биосфере является добыча, переработка и использование фосфатных удобрений. Осадочные фосфатные руды характеризуются высокой концентрацией урана-238 и радионуклидов его семейства со средней концентрацией 1500 Бк/кг и значительно более низкой концентрацией радионуклидов семейства тория-232. В зависимости от типа исходного сырья и технологических особенностей его переработки в удобрение могут переходить практически весь уран-238 и определенная часть радия-226, тория-228, тория-230, свинца-210 и полония-210. Концентрация этих радионуклидов во всех видах фосфорных удобрений независимо от разрабатываемых месторождений несколько выше, чем в пахотных почвах. При изготовлении удобрений концентрация радия-226 снижается почти во всех видах продукции, получаемой из фосфатного сырья, и, напротив, концентрация урана-238, тория-232 и тория-228 увеличиваются в двойном суперфосфате, аммофосе и диаммофосе, но не более чем в два раза. Концентрация калия-40 в калийных удобрениях примерно в десять раз превышает его концентрацию в почве. Содержание радионуклидов уранового ряда в фосфорсодержащих удобрениях различных стран мира варьируется в пределах 70—2400 Бк/кг, а концентрация радионуклидов ториевого ряда не превышает 70 Бк/кг. В некоторых странах (США, ФРГ, Тайвань, Россия) отмечается увеличение содержания естественных радионуклидов в пахотных почвах за счет длительного использования фосфорных удобрений.
Существует несколько путей воздействия на человека естественных радионуклидов, содержащихся в удобрениях, но основным из них является внутреннее облучение, обусловленное потреблением сельскохозяйственной продукции. И хотя по данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации, относительный вклад в дополнительную дозу облучения живых организмов от применения удобрений очень мал и не превышает 0,01 % суммарного естественного радиоактивного фона, это не должно явиться причиной недооценки указанного фактора в связи с быстрорастущими темпами химизации сельского хозяйства.
Систематическое применение удобрений приводит к увеличению концентрации естественных радионуклидов и в водоемах (воде, донных отложениях, водных организмах). Это обусловлено выносом естественных радионуклидов с удобряемых водосборных территорий как в растворенном виде (с поверхностным и дренажным стоком), так и в нерастворенном виде в результате эрозии почвы.
Одной из причин повышения радиоактивного фона в некоторых районах является использование более радиоактивных по сравнению с почвой геологических пород в качестве строительного материала (напр. при повышенном содержании урана-238, то-рия-232 и калия-40 в таких традиционных строительных материалах, как строительный камень, песок, гравий и др. или материалах, произведенных с использованием промышленных отходов).
Техногенный источник увеличения естественного радиоактивного фона дает больший вклад в дозу облучения населения, чем использование удобрений или выбросы естественных радионуклидов с летучей золой ТЭС.
В последнюю четверть XX в. в десятки раз возросло потребление энергетического сырья (уголь, нефть, газ, торф), что сопровождается перемещением на земную поверхность большого количества некоторых химических элементов, в т. ч. радиологически значимых естественных радионуклидов. Около 70 % добываемого в мире угля сжигается на ТЭС и приблизительно 20 % — в коксовых печах. Концентрация естественных радионуклидов в природном угле, как правило, невысока и обычно ниже, чем в почве. При сжигании угля на ТЭС при температуре около 1700 °С углерод органических соединений окисляется до угарного и углекислого газа, а минеральные компоненты превращаются в стекловидные частицы золы. Часть тяжелой золы с неполностью сгоревшими органическими веществами оседает на дно, образуя т. н. подовую золу и шлак. Более мелкие частицы составляют летучую золу и с потоками газов попадают в атмосферу. Количество зольных выбросов в среднем составляет: на ТЭС США — 8 % общего количества золы, ФРГ — около 1 %, Италии — 5 %, Польши — 20 %, Индии — 10 %, России — 10%. Наиболее мелкая фракция выбросов — частицы золы субмикронного уровня. Именно такие частицы максимально обогащены микроэлементами, в т. ч. естественными радионуклидами. Изотопы тория и калия плавятся, перемешиваются с алюмосиликатными массами и входят в матрицы твердых частиц независимо от их размера. Изотопы урана вовлекаются в оба эти процесса. Та часть урана, которая входит в глинистые и другие минералы, плавится и остается в составе остеклованных частиц золы, Уран, связанный с органическим веществом, улетучивается, а затем конденсируется на частицах летучей золы в виде оксида. Радий-226 как продукт распада урана-238 ведет себя аналогично. Радий-228 как продул распада тория-232 в основном входит в матрицу летучей золы.
Выбросы летучей золы могут загрязни почву в радиусе нескольких десятков километров от ТЭС. Так, в пробах льда на расстоянии 150 км от промышленного центра за II лет наблюдалось 50-кратное увеличение концентрации радия-226. В верхнем слое почвы (0—5 см) оно было существенно выше, чем в нижнем (5—10 см). Вокруг современной ТЭС с хорошей системой газоочистки радиоактивное загрязнение почвы ничтожно мало.
Кроме того, естественные радионуклиды, поступают в окружающую среду при сжигании угля в результате отапливания частных домов, а также применения угольной золы в производстве цемента и бетона в качестве наполнителя для дорожных покрытий и удобрения в сельском хозяйстве. По данным НКДАР ООН, при отоплении частных домов сжигается лишь 10 % производимого в мире угля, однако за счет малой высоты дымовых труб и отсутствия систем золоулавливания вклад этого источника в суммарный выброс естественных радионуклидов в окружающую среду эквивалентен вкладу выбросов ТЭС.
Негативное воздействие предприятий угольного цикла на население по своим масштабам и многообразию может превосходить влияние ЯТЦ. Помимо постоянных выбросов в атмосферу продуктов сгорания угля, еще одним важным фактором является большой объем отходов, утилизация и хранение которых также может приводить к загрязнению окружающей среды.
С 1920-х гг. известно, что пластовые воды нефтяных и газовых залежей, особенно в зоне водоуглеводородного контакта, отличаются повышенным содержанием естественных радионуклидов. Радиоактивности таких вод обусловлена прежде всего высокой концентрацией радия-226, содержание которого в 100—1000 раз превышает естественный радиоактивный фон (они даже использовались для промышленного извлечения радия). Разлив радиоактивных вод вокруг скважин приводит к загрязнению почвы в районе промысла.
Список литературы
Лит.: Алексахин Р. М., Архипов Н. П., Бархударов Р. М. и др. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере. М.: Наука, 1990; Титаева Н. А. Ядерная геохимия. М.: Изд-во МГУ, 1992.