Аварии с выбросом радиоактивных веществ

Среди чрезвычайных ситуаций особое место занимают ЧС, вызванные авариями с выбросом радиоактивных веществ (РВ). Радиоактивное загрязнение местности вызывает необходимость быстрой эвакуации населения, промышленных предприятий, проведение дорогостоящих методов дезактивации местности, может привести к многочисленным жертвам и заболеваниям населения.

В настоящее время аварии на предприятиях с выбросом РВ возможны на атомных электростанциях (АЭС), предприятиях по изготовлению ядерного топлива, на предприятиях по переработке и захоронению отработанного ядерного топлива и радиоактивных отходов (все эти предприятия называются предприятиями ядерного цикла - ПЯЦ), а также в научно-исследовательских и проектных учреждениях, которые имеют ядерные реакторы, и на объектах транспорта, где используются ядерно-энергетические установки.

Наибольшую опасность для человека представляют аварии на атомных электростанциях. Международной комиссией по атомной энергетике установлено 8 уровней опасности аварий на АЭС (аналогично сейсмическим показателям оценки землетрясения по шкале Рихтера).

Например, авария в США на АЭС "Тримайл-Айленд" в 1979 г. относится к 5 уровню.

Следует подчеркнуть, что по этой шкале действия оцениваются только с точки зрения ядерной и радиоактивной опасности. Аварии на АЭС остаются значительным фактором возникновения ЧС. Аварии на АЭС значительно отличаются от ядерных взрывов.

Ядерный взрыв длится сравнительно короткое время. Направление радиоактивного заражения местности зависит от направления ветра в момент взрыва и сразу после него. Размер зоны заражения определяется мощностью взрыва и, в основном, скоростью ветра. Размер зоны можно прогнозировать.

Авария на АЭС характеризуется большей продолжительностью выбросов (в зависимости от времени ликвидации аварии). За это время направление ветра может меняться. Поэтому размер и конфигурацию зоны практически невозможно ни спрогнозировать, ни рассчитать (при аварии на ЧАЭС основные выбросы продолжались 10 дней, выбросы меньшей интенсивности - еще 22 дня). Кроме того, при авариях на АЭС возникают мелкодисперсные аэрозоли с размером капель 0.5 - 3 мкм, в то время, как при ядерном взрыве - большедисперсные с размером капель более 60 мкм.

Аэрозоли аварий на АЭС способны долгое время находится в подвешенном состоянии и распространяться под влиянием ветра на большие расстояния. Аэрозоли ядерного взрыва перемешиваются с частицами пыли земли и сравнительно быстро (за 8 - 10 часов) оседают на землю. Это приводит к тому, что при авариях на АЭС зона радиоактивного заражения значительно превышает область заражения, которая возникает во время ядерного взрыва.

При аварии на ЧАЭС возникла зона заражения площадью более 28 тыс. км², на которой проживает более 1 млн. человек. След радиоактивного облака наблюдали за тысячи километров (Китай, США). Сначала распространение РО произошло в западном и северном направлениях, потом в северном, следующие несколько дней - в южном направлении. Загрязненные массы воздуха распространились на значительные расстояния по территории Белоруссии, Украины и России, а также за границы СССР. Через 15 дней уровень фона 5 мР/час был зафиксирован на расстоянии 50 - 60 км на запад и 35 - 40 км на север от АЭС. В Киеве уровень радиации увеличился на несколько десятых мР/час.

Всего в той или иной мере загрязненными радионуклидами оказались 11 областей с населением 17 млн. человек. Следы радиоактивных веществ были выявлены в Швеции, Польше, Англии и др. странах [7].

Атомные электростанции проектировались и строились с высокой надежностью. Ученые имели надежду получить источник электроэнергии, абсолютно безопасный в эксплуатации. Теоретически вероятность аварий составляет 1.7 · 10^-7 (по расчетам немецких ученых), 1.7 · 10^-6 (по расчетам шведских ученых).

При всей своей потенциальной опасности атомная энергетика экологически чище, чем тепловая. Обычные электростанции в 100 раз больше, чем атомные, загрязняют окружающую среду выбросами, в том числе и радиоактивными (изотопы урана, тария, калия). В угле, например, есть изотоп углерода, который при горении выбрасывается в атмосферу. В целом радиоактивное загрязнение от тепловых электростанций значительно больше, чем от атомных.

При сгорании угля, нефти, газа каждый год выбрасывается в атмосферу 200 - 250 млн. т сернистого ангидрида. По расчетам ученых, до 2100 года эти выбросы могут вырасти до 1.5 млн. т пепла и 400 млн. т сернистого ангидрида. Сернистый газ вызывает кислотные дожди, а высокая концентрация углекислого газа и метана может вызвать парниковый эффект и привести к значительному потеплению климата.

Отсюда видно, что АЭС является намного более экологически чистым видом энергии, чем тепловые электростанции. Однако, если сравнивать их с точки зрения последствий возможных аварий, то масштабы загрязнения от АЭС намного больше, что было доказано на примере ЧАЭС.

Атомные станции для людей, которые живут близко, имеют определенный риск - можно получить дозу облучения более 60 мБЕР/час. Это безусловно опасная величина.

Ядерным топливом на АЭС является уран-238 (²³⁸U), немного обогащенный ураном-235 (²³⁵U) (на 1 т двуокиси урана-238 добавляется 20 кг ядерного топлива урана-235). Всего в один реактор загружается 180 т урана.

²³⁸U способен к делению (под действием нейтронов), но более характерен для него простой захват нейтронов с переходом в ²³⁹U.

²³⁵U в результате взаимодействия с нейтронами подвергается делению, деление ядер сопровождается высвобождением нейтронов, которые вызывают деление соседних ядер. Таким образом, становится принципиально возможным не только самопроизвольное продолжение процесса, но и лавинообразное самоускорение.

Деление ядер ²³⁵U происходит с выделением огромного количества энергии - около 18 млн. ккал на каждый 1 г делящихся ядер.

Основные протекающие в ядерном реакторе процессы такие:

n + ²³⁵U - осколочные ядра + 2 n,

n + ²³⁸U - ²³⁹Pu + 2 ,

n + ²³⁹Pu - осколочные ядра + 2 n.

Реактор рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить протекание первой реакции, которая является основным поставщиком нейтронов. Благодаря количественному преобладанию ²³⁸U, вторая реакция идет без затруднений. Наконец, третья реакция становится заметной лишь после достаточного накопления плутония (Pu), причем ее протекание компенсирует убыль ядер ²³⁵U.

В ядерных реакторах АЭС процесс распада продолжается длительное время (годы). На ЧАЭС до момента аварии реактор эксплуатировался почти 3 года. Поэтому в отработанном топливе имеется больше долгоживущих элементов - плутоний-239, стронций-90, цезий и др.

При аварии на ЧАЭС в выбросах из аварийного реактора было выделено 23 основных радионуклида.

Сначала наиболее опасным был йод-131. Период его распада составляет меньше 8 суток, он очень активно усваивается живыми организмами, попадая в организм с пищей, накапливается там.

Потом опасность представлял цезий-134 (период распада - 2 года) и цезий-137 (30 лет), стронций-90 (28 лет), плутоний-239 (20000 лет) и т.д. Опасное содержание цезия в мясе овец выявилось даже в Англии через 15 месяцев после катастрофы в Чернобыле.

Таким образом, радионуклидное содержание аварийных выбросов реакторов АЭС характеризуется относительно большим количеством долгоживущих изотопов.

Авария в Чернобыле стала классическим примером техногенной катастрофы.

Чернобыльская катастрофа

Ядерным топливом на АЭС является уран-238 (1 т) и уран-235 (20 кг на 1 т ²³⁸U). Ядерное топливо вводится в реактор в виде трубок из циркониевого сплава, в которых размещаются таблетки урана цилиндрической формы. Называется эта конструкция теплосоздающим элементом. Здесь располагается в активной зоне по 18 трубок. Всего 1800 таких соединений, помещенных на графитовом настиле (кладка). В графите циркулирует теплоноситель, который забирает выделяемое при ядерной реакции тепло. Вода нагревается до кипения, пар подходит к турбинам, которые вырабатывают электроэнергию.

Весь круговорот воды совершают 8 циркуляционных насосов - 6 работающих и 2 резервных. Реактор располагается в середине бетонной шахты. Высота активной зоны - 7 м, диаметр - 12 м.

Цепная реакция в реакторе происходит с коэффициентом эффективности 1.0 - 1.064. Чем выше этот коэффициент, тем выше температура пара и мощность реактора. Если коэффициент становится выше 1.064, режим становится неуправляемым. Регулирование скорости цепной реакции производится с помощью специальных стержней - поглотителей нейтронов из бористой стали. Они вводятся (или выводятся) в активную зону и регулируют количество нейтронов, которые действуют в реакторе. Всего устанавливается 211 стержней - поглотителей. Они обеспечивают пуск, ручное или автоматическое регулирование мощности, плановую и аварийную остановку реактора. При сигнале защиты в активную зону вводятся все стрежни. Предусмотрена система аварийного охлаждения реактора.

Авария на 4-м блоке ЧАЭС произошла 26 апреля 1986 г., приблизительно в 1 час 23 мин. Нарушения:

· реактор был переведен в тяжелоуправляемый и поэтому запрещенный режим;

· сигнализация тревоги была включена персоналом;

· реактор не был остановлен в критический момент, что привело к резкому увеличению быстроты цепной реакции.

Причины таких нарушений:

· грубые ошибки персонала, проводившего эксперимент;

· недостаточный надзор государственных органов за эксплуатацией реактора и проведением эксперимента;

· недостаточный уровень квалификации персонала;

· недостатки конструкции реактора;

· недостаточный уровень автоматизации и недостатки оборудования системы безопасности.

Сильно пострадала территория, находящаяся в непосредственной близости от 4-го блока.

Чернобыльская катастрофа стала нашей национальной бедой.

Дезактивация

Но что же было сделано для того, чтоб очистить зараженные территории от радионуклидов, чтобы больше не подвергать людей этой опасности? Ведь отдаленные последствия хронического действия малых доз радиации - малоизученная область знаний, почти ничего не известно о влиянии этого фактора на потомство. Одно можно сказать - сколь угодно малой ни была доза, ее воздействие - обязательно скажется на всем живом.

Дезактивация территорий заключалась в одном - смыве радиоактивной пыли с поверхностей предметов. Это, конечно, важно и необходимо, но кто подумал о том, куда это все смывалось, о земле, и так уже зараженной? Более того, 30-километровая зона была объявлена своеобразной "лабораторией", полигоном научных исследований для изучения влияния радиации на природу, следовательно, не принимались даже попытки провести дезактивацию почв. За пределами 30-километровой зоны такие работы также не проводились, хотя науке известны способы выведения радионуклидов из почв. Основным принципом таких работ является перевод радионуклидов в растения с последующим их выкосом и захоронением. Ионы в почвах могут существовать в двух видах: в растворимом и адсорбированном. В адсорбированном виде они недоступны для растений. Сорбционная способность почв зависит от их типа, наличия в них тех или иных веществ, оводненности и многих других факторов. Сорбция велика при наличии органических веществ в почве. Она значительно снижается при низких значениях рН, при наличии комплексонов, а также атомов-аналогов, которыми являются для Co, Y и Ce - Fe и Al, для Sr и Cs - Ca и K. Адсорбированные же ионы легко вытесняют друг друга в соответствии с рядом активности металлов. Стронций вытесняется ионами железа и меди, к тому же сам обладает достаточной подвижностью в почвах. Цезий практически не вытесняется, но по данным Куликова И.В. и др., десорбируется водными растительными экстрактами, его подвижность увеличивается в почвах с высоким содержанием К и Са. Эта проблема требует дополнительных исследований.