Основные источники радиационного загрязнения биосферы

1) Добыча и переработка радиоактивного минерального сырья

    Из всего уранопроизводящего комплекса добыча и переработка урановых руд дает самый большой объем радиоактивных отходов, которые по физическому состоянию подразделяются на твердые и жидкие. Специфическая особенность уранового и ториевого производства – наличие во всех видах отходов радионуклидов с большим периодом полураспада. Обычно промышленное содержание урана в рудах находится в интервале 0.02-0.03%. Руды с меньшей концентрацией этого радиоактивного элемента считаются забалансовыми. «Пустые» породы содержат тысячные доли процента урана. Последние две категории минерального вещества, как и сами балансовые руды, относятся к материалам, представляющим опасность для окружающей среды, поскольку они на расстоянии 10 см от их поверхности создают мощность эквивалентной дозы более 0.1 мЗв/ч.
    Отвалы пустых пород, содержание РН в которых намного превышают кларковые, занимают на рудниках и карьерах многие тысячи квадратных метров и являются источниками локального загрязнения местности. В результате ветровой эрозии происходит сдувание пыли с поверхности отвалов, а также твердых продуктов распада постоянно выделяющегося радона и перенос этого материала на значительные расстояния. Отвалы забалансовых руд и пустой породы подвергаются постоянному воздействию атмосферных осадков, которые выщелачивают РН и загрязняют ими грунтовые воды и гидрографическую сеть, что, в конечном счете, приводит к сверхнормативному загрязнению радиоактивными веществами донных отложений.
    Дополнительный источник загрязнения окружающей среды – жидкие отходы, к которым относятся шахтные воды, насыщенные радионуклидами.

Рис. 5.23. Пример ореола загрязнения подземных вод ураном в районе хвостохранилища. Естественная объемная активность воды 0.3 Бк/л: a – план; б – вертикальный разрез.

    Другим звеном уранового производства являются обогатительные предприятия и заводы по гидрометаллургической переработке радиоактивных руд, где главный вид отходов – хвосты переработки рудной массы, насыщенные радиоактивными жидкостями. Весь этот материал удаляется в намывные хвостохранилища, которые являются неотъемлемой частью гидрометаллургического производства урана и тория и главным источником местного загрязнения окружающей среды радионуклидами. Вокруг хвостохранилища со временем образуется постоянно функционирующий как наземный, так и подземный ореолы распространения радионуклидов (рис.5.23). Кроме того радиоактивные руды часто транспортируются по железной дороге с грубейшими нарушениями техники безопасности.
    Немалый вклад в загрязнение природной среды радионуклидами вносят и химические комбинаты по производству оружейного плутония и вторичной переработке отработанного на АЭС ядерного топлива. Высокоактивные сточные воды на этих предприятиях собираются в герметичные контейнеры, а малоактивные воды сбрасываются в открытые водоемы.
    В качестве дополнительного источника естественных РН, поступающих в биосферу в результате деятельности человека, можно назвать добычу и переработку сырья, используемого для производства фосфорных удобрений, поскольку добываемые фосфориты и апатитовая руда характеризуются повышенным содержанием природного урана.

2) Уголь как источник естественной радиации

    Уголь, подобно нефти и газу, представляет собой органическое вещество, подвергшееся медленному разложению под действием биологических и геологических процессов. Основа образования угля – растительные остатки, произраставшие миллионы лет назад. Вместе с тем, уголь всегда содержит природные радиоактивные вещества уранового и актиноуранового рядов (²³⁸U и продукты его распада ²³⁴U, ²²⁶Ra, ²²²Rn, ²¹⁰Pb, ²¹⁰Po и т.д.; ²³⁵U и продукты его распада ²¹⁹Rn и т.д.), ториевого ряда (²³²Th и продукты его распада ²²⁰Rn, ²¹⁶Po), а также долгоживущий радиоактивный изотоп ⁴⁰K. Таким образом, естественная радиоактивность угля формируется за счет природных радионуклидов. Уран в окислительных условиях земной поверхности, как правило, присутствует в виде хорошо растворимых соединений, и поэтому значительно более широко рассеян, чем торий, хотя среднее содержание урана в земной коре почти на порядок ниже, чем тория.
    В углях в результате инфильтрации уран концентрируется в низкомолекулярном органическом веществе торфов, лигнитов, бурых углей. Большая часть урана находится в виде мелкодисперсных оксидов. В антрацитах и каменных углях количество урана незначительно.
    Концентрация РН в разных угольных пластах различается в сотни раз. В среднем содержание радионуклидов в угле примерно соответствует гранитным кларкам. За счет привнесенного урана содержание радионуклидов может увеличиваться. Так, в подмосковном угле содержание урана в среднем составляет 9.15 г/т, а тория 11.65 г/т. Радиоактивность золы и выбрасываемых в атмосферу твердых частиц, образующихся при его сжигании, превышает 370 Бк/кг (достигая временами 520 Бк/кг), в то время как при сжигании кузбасских углей радиоактивность составляет 20-40 Бк/кг. По мере выработки месторождения концентрация радионуклидов в угле может меняться.

Таблица 5.2. Удельные активности естественных радионуклидов
в углях некоторых Российских месторождений

    На рис.5.24 в качестве иллюстрации приведены характерные удельные активности основных изотопов – ⁴⁰K, ²²⁶Ra и ²³²Th для 10 российских месторождений. В табл. 5.2 приведены аналогичные данные для Интинского и основных дальневосточных месторождений угля с учетом изменения концентрации РН в золе и шлаке.

Рис. 5.24. Средние значения удельной активности радионуклидов ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²³²Th: а) в углях различных месторождений: 1– среднемировые концентрации; 2 – Интинское; 3 – Воркутинское; 4 – Кузнецкое; 5 – Хакасское; 6 – Райчихинское; 7 – Нерюнгринское; 8 – Ургальское; 9 – Харанорское;
10 – Чегдомынское; 11 – Лучегорское; b) в угле Интинского месторождения и продуктах его сжигания. с) Интинская ТЭС (внеший вид).

    ЕРН уранового ряда при формировании техногенных соединений образуют в большинстве своем соединения, практически не отличающиеся от известных природных минералов. ЕРН ториевого ряда изучены не так подробно, но есть основания предполагать, что сформированные техногенные соединения тория будут отличаться от природных. Отметим, что торий и калий обычно связываются с неорганической фракцией, в то время как уран имеет тенденцию к связи с органикой, выбрасываемой в атмосферу с парогазовой фракцией, и концентрируется в аэрозолях.
    При определенных условиях мобилизация ЕРН возможна даже на объектах с содержанием ниже кларка, поэтому в процессе добычи, переработки, использования и транспортировки радиоактивные элементы, содержащиеся в субкларковых количествах, могут накапливаться в окружающей среде и в дальнейшем представлять опасность для персонала и населения прилегающих территорий. При этом достаточно большие объемы добычи минерального сырья предопределяют значимое накопление суммарного количества ЕРН.

3) Ядерная энергетика

    По состоянию на 2009 год в мире действовало 437 энергетических ядерных реактора, генерирующих почти 16 процентов мировой электроэнергии. Для обеспечения этих АЭС ядерным топливом необходимо ежегодно почти 4000 т природного урана.
    При ядерных реакциях, происходящих в активной зоне реактора, выделяются радиоактивные газы: ксенон ¹³³Xe (Т_1/2 = 5 сут), криптон ⁸⁵Kr (Т_1/2 =10 лет), радон ²²²Rn (Т_1/2 =3.8 сут) и другие. Эти газы поступают в фильтр-адсорбер, где теряют свою активность и только после этого выбрасываются в атмосферу. В окружающую среду поступает также некоторое количество изотопа углерода ¹⁴С и трития ³Н.
    Другой источник родионуклидов, попадающих в окружающую среду от функционирующих АЭС, – дебалансная и техническая вода. ТВЭЛы, находящиеся в активной зоне реактора, часто деформируются, и продукты деления попадают в теплоноситель. Дополнительным источником радиации в теплоносителе являются РН, образующиеся в результате облучения материалов реактора нейтронами. Поэтому периодически вода первого контура обновляется и очищается от РН.
    Чтобы не произошло загрязнение окружающей среды, вода всех технологических контуров АЭС включается в систему оборотного водоснабжения. Тем не менее, часть жидких стоков сбрасывают в водоем-охладитель, имеющийся при каждой АЭС. Этот водоем является слабопроточным бассейном (чаще всего это искусственное водохранилище), поэтому сброс в него жидкостей, содержащих даже малое количество радионуклидов, может привести к опасной их концентрации. Сброс жидких радиоактивных отходов в водоемы-охладители категорически запрещен Санитарными правилами. В них можно направлять только жидкости, в которых концентрация радиоизотопов не превышает допустимые нормы.
    Наносят ли вред окружающей среде атомные электростанции? Опыт эксплуатации отечественных АЭС показал, что при правильном техническом обслуживании и налаженном мониторинге окружающей среды они практически безопасны. Радиоактивное воздействие на биосферу этих предприятий не превышает 2% от местного радиационного фона.
    Выбросы АЭС на 99.9% состоят из инертных радиоактивных газов (ИРГ). В процессе деления образуется около 20 радиоизотопов криптона и ксенона, из которых основной вклад в ИРГ вносят изотопы криптона ⁸⁸Kr (период полураспада 2.8 ч) и ксенона ¹³³Хе (5.3 сут), ¹³⁵Хе (9.2 ч) дающие различный вклад, в зависимости от типа реактора. На долю всех оставшихся радионуклидов (в основном это ¹³¹I, ⁶⁰Co, ¹³⁴Cs, ¹³⁷Cs и тритий ³H) приходится менее одного процента. Еще в меньшем количестве наблюдаются выбросы небольшого количества продуктов коррозии реактора и первого контура и осколков деления ядер урана ⁵¹Cr, ⁵⁴Mg, ⁹⁵Nb, ¹⁰⁶Ru, ¹⁴⁴Cs. Для Российских АЭС в среднем в численном выражении это составляет на 1 ГВт·ч выработанной электроэнергии 5∙10¹² Бк для ИРГ, и 4∙10⁷ Бк для суммы всех остальных радионуклидов.
    Большинство радионуклидов газоаэрозольных выбросов, включая ИРГ, имеют довольно небольшой период полураспада и без ущерба для окружающей среды распадаются, не успевая поступить в атмосферу. Тем не менее, для обеспечения безопасности по отношению к этим радионуклидам на АЭС, как правило, предусмотрена специальная система задержки газообразных выбросов в атмосферу.
    Характер и количество газообразных радиоактивных выбросов зависит от типа реактора и системы обращения с этими отходами. В табл.5.3 на примере трех АЭС разных поколений приведено сопоставление выбросов в окружающую среду основных изотопов.

Таблица 5.3. Сопоставление выбросов в окружающую среду
основных изотопов на примере трех АЭС (данные за 2010 г.).

    Наиболее опасным в выбросах современных АЭС считается тритий. Он может замещать водород во всех соединениях с кислородом, серой, азотом. А эти соединения составляют значительную часть массы животных организмов. Доказано, что он легко связывается протоплазмой живых клеток и накапливается в пищевых цепях. Распадаясь, тритий превращается в гелий и испускает β-частицы. Такая трансмутация должна быть очень опасна для живых организмов, т.к. при этом поражается генетический аппарат клеток. В организм человека ³Н поступает в виде газа и тритиевой воды ¹Н³НО через легкие, кожу и желудочно-кишечный тракт. Газообразный ³H₂ в 500 раз менее токсичен, чем сверхтяжелая вода ³H₂О. Это объясняется тем, что молекулярный тритий, попадая с воздухом в легкие, быстро (примерно за 3 мин) выделяется из организма, тогда как тритий в составе воды задерживается в нем на 10 суток и успевает за это время передать организму значительную дозу радиации. Половина тритиевой воды выходит из организма каждые 10 дней.

4) Тепловые электростанции

    В радиационном отношении гораздо более опасны тепловые электростанции, поскольку сжигаемые на них уголь, торф и газ содержат природные радионуклиды семейств урана и тория. Средние индивидуальные дозы облучения в районе расположения тепловых электростанций мощностью 1 ГВт/год составляют от 6 до 60 мкЗв/год, а от выбросов АЭС – от 0.004 до 0.13 мкЗв/год. Таким образом, АЭС при нормальной их эксплуатации являются экологически более чистыми, чем тепловые электростанции.

    Наибольшую опасность представляют ТЭС, работающие на угле. Во время сжигания угля большая часть урана, тория и продуктов их распада выделяются из исходной матрицы угля и распределяются между газовой и твердой фракциями. Практически 100% присутствующего радона переходит в газовую фазу и выходит с дымовыми газами.
    Кроме дымовых газов, к основным источникам поступления радионуклидов в окружающую среду при сжигании угля на электростанции относят вынос частиц угля с открытых площадок углехранилищ (углеунос) и золоотвал. При сгорании большая часть минеральной фракции угля плавится и образует стекловидный зольный остаток, значительная доля которого остается в виде шлака. Тяжелые частицы при этом попадают в золу, однако наиболее легкая часть золы, так называемая «летучая зола», вместе с потоком газов уносится в трубу электростанции. Удельная эффективность золы-уноса повышается с увеличением ее дисперсности. Высокодисперсная зола практически не улавливается оборудованием по очистке газов ТЭС, поэтому дымовые газы являются основным источником загрязнения от действия электростанций.
    Например, в выбросах от Назаровской ТЭС содержатся в среднем 90% U, 76% Th и 60-88% Ra от их исходного содержания. Прибалтийская ТЭС, работающая на сланцах, выбрасывает в атмосферу с дымовыми выбросами до 90% урана, 28-60% радия и до 78% тория. В результате деятельности ТЭС вокруг нее образовалась зона повышенных концентраций ЕРН с радиусом примерно 40 высот труб станции, в которой произошло увеличение концентраций ЕРН для верхнего слоя почвы (3 см) на порядок. Концентрация ЕРН в факеле составляет: радия – до 50 мкБк/м³, тория – до 10 мкБк/м³ и урана – до 100 мкБк/м³ при фоне 1 мкБк в 1 м³ воздуха.
    Суммарный выброс радионуклидов на угольных электростанциях, в среднем, составляет около 1,33∙10¹⁰ Бк на 1 ГВт·ч. В табл. 5 приведены среднегодовые выбросы радионуклидов ТЭС США в расчете на 1 ГВт^.ч. Видно, что основную долю вносят изотопы радона, которые в сумме дают 1.2∙10¹⁰ Бк на каждый ГВт^.ч электроэнергии.
    Необходимо отметить, что в продуктах сгорания происходит концентрирование микроэлементов, в том числе и радионуклидов. Степень концентрирования зависит от многих факторов, в число которых входит первоначальная концентрация радионуклидов в угле. Зольность, способ сжигания и условия работы электростанции. Коэффициенты обогащения могут существенно различаться. Особенно интенсивно за счет термохимических процессов накапливается в золе изотоп ²¹⁰Pb, так что его концентрация увеличивается в 5-10 раз. Известно, что свинец и его соединения токсичны. В частности, попадая в организм, свинец накапливается в костях, вызывая их разрушение.
    Летучая зола, выбрасываемая в воздух, представляет большую опасность из-за своей способности распространяться на значительные расстояния и проникать в легкие человека. Тонкие фракции летучей золы обогащены различными вредными веществами. Помимо радионуклидов, они содержат тяжелые металлы и микроэлементы Co, V, Cu, Zn, Cr, Ni, Cd, As, Be.

Рис.5.25.Типичные золоотвалы.

    Рассеивание загрязнений с дымовыми газами происходит на большие площади, поскольку выбросы ТЭС в атмосферу осуществляются на высоте 100-300 м. В качестве иллюстрации можно привести следующий факт. В большинстве случаев зона влияния промышленных предприятий не превышает 0.5-1.5 км. Вблизи дорог такая зона составляет до 50 м, а нарушение или даже полная деградация растительного покрова вблизи ТЭС, особенно работающих на низкокачественных углях, наблюдается в радиусе 4-15 км. В снежном покрове в зоне влияния ТЭС, являющимся индикатором техногенного загрязнения, содержание радионуклидов может достигать значений: ⁴⁰K – 22.2-45.3 Бк/л, ²²⁶Ra – 4-9 Бк/л, ²³²Th – 3,4-7,8 Бк/л. Средние выбросы основных радионуклидов, плотность загрязнения территории и их содержание в атмосфере в районе расположения номинальной среднестатистической ТЭС представлены в табл. 5.5.

Таблица 5.5. Средние выбросы основных радионуклидов, плотность загрязнения территории и концентрация РН в воздухе в расчете на 1 ГВт^.ч в районе расположения номинальной ТЭС.

    В табл.5.6 представлена оценка количества радионуклидов поступающих в атмосферу при сжигании такого угля на ТЭС-1 г. Северодвинска, работающей на угле Интинского месторождения Печорского угольного бассейна. Концентрация урана в этом угле существенно меньше средних мировых значений, не превышает кларкового содержания и составляет 0.5-0.7 г/т, тория – порядка 2.9 г/т.
    Как показали проводившиеся по заказу Еврокомиссии исследования, мелкодисперсная угольная пыль ежегодно приводит к смерти около 300 тысяч европейцев. В России дополнительная смертность от проживания вблизи угольных ТЭС оценивается в 8-10 тыс. человек в год. В то же время, имеющиеся в разных странах данные свидетельствуют, что по реальному воздействию на человека атомная промышленность находится во втором десятке вредных факторов. На первом месте по показателям профзаболеваний находится угольная промышленность (20-50 заболеваний против 0.4-0.7 в атомной промышленности на 10000 работающих).
    Средняя ТЭС требует около 6 млн. т угля в год. Громадное количество твердых отходов ТЭС не имеет никакой энергетической ценности, а изготовленное новое топливо из 50 т ОЯТ, расходуемых за год, позволяет заместить 2 млн. т угля, или 1.6 млрд. м³ газа, или 1.2 млн. т нефти.

Таблица 5.6. Поступление радионуклидов в окружающую среду
при работе ТЭС-1 Северодвинска
на углях Интинского месторождения
Печорского угольного бассейна.

    Мировая статистика показывает, что добыча этих 6 млн. т угля обойдется в 24 человеческие жизни и 90 травм шахтеров.
    В то же время, годовая доза дополнительного облучения для живущих вблизи АЭС почти в 20 раз меньше среднего естественного фона на поверхности Земли (1 мЗв/год). Риск от проживания вблизи АЭС оценивается в 7·10^–7 (см. табл. 5.7).

Таблица 5.7. Индивидуальные годовые риски смерти для населения России

    Однако следует отметить, что только при нормальной эксплуатации АЭС, они в экологическом отношении чище тепловых электростанций на угле. При авариях АЭС могут оказывать существенное радиационное воздействие на людей и экосистемы. Даже при значительных авариях на электростанциях, таких, например как авария на Саяно-Шушенской ГЭС, их экологические последствия носят преимущественно локальный характер. Этого нельзя сказать об авариях на АЭС. И Чернобыльская катастрофа, и авария на японских АЭС в 2011 г. приобрели характер мировых катастроф. Поэтому право на существование атомная энергетика имеет только в случае обеспечения предельно высокого уровня безопасности её предприятий, недопущения какого либо выноса радиоактивных продуктов из технологического оборудования за пределы, ограниченные технологическими помещениями (барьеры безопасности) при любых обстоятельствах.

5) Полигоны для испытания ядерного оружия

 
Рис. 5.26 (левый). Полигон Новая Земля.
1 – Новоземельская впадина (захоронение контейнеров, реактора АПЛ, лихтера-перевозчика жидких РАО); 2 – залив Неупокоева (твердые РАО); 3 – залив Цивольки (контейнеры, лихтер, отсек ледокола «Ленин» с аварийными реакторами); 4 – залив Ога (контейнеры); 5 – залив Стенового (контейнеры, два реактора АПЛ); 6 – залив Абросимова (контейнеры, отсеки четырех АПЛ); 7 – залив Благополучия (контейнеры); 8 – залив Течений (аварийный реактор); 9, 10 – контейнеры в море; 11, 12, 13 – места ядерных взрывов; 14 – место предполагаемого могильника РАО (по В.И.Булатову).
Рис.5.27 (правый). Глобальные атмосферные выпадения ⁹⁰Sr (по данным Департамента энергии США). Максимальное значение соответствует 1963 г.

    Официально известны четыре ядерных полигона, принадлежащие сверхдержавам: Невада (США, Великобритания), Новая Земля (Россия), Моруроа (Франция), Лобнор (Китай). Кроме того, в СССР интенсивно использовался Семипалатинский полигон, который в настоящее время не функционирует. Именно в этих пунктах произведена основная масса испытательных взрывов ядерных и термоядерных зарядов. Их насчитывается 2077 (по другим источникам – 1900), из которых 1090 принадлежит США, 715 – СССР, 190 – Франции, 42 – Великобритании, 40 – Китаю.
    В результате испытаний ядерного оружия в окружающую среду выброшено около 30 млн. кюри ¹³⁷Cs и 20 млн. кюри ⁹⁰Sr. В шестидесятые годы в биосферу попало около 5 т ²³⁹Pu. Все это привело к мощной вспышке глобального радиационного фона. В настоящее время большая часть радионуклидов, выброшенных в атмосферу в результате ядерных испытаний, осела на поверхность Земли и смыта в океаны.
    Трагедия ядерных полигонов заключается не только в том, что обширные территории превращены атомными взрывами в «мертвые зоны», которые в обозримом будущем не могут быть обустроены человеком. Площади полигонов часто используются как пункты захоронения РАО. В России это особенно это касается архипелага Новая Земля, который вместе с прилегающими акваториями Северного Ледовитого океана превращен в гигантский могильник отработанных реакторов и других частей атомных кораблей. У Новой Земли затоплены многие тысячи контейнеров с жидкими и твердыми РАО и компонентами отработанных ядерных устройств (рис.5.26).

6) Ядерные взрывы в мирных целях

    Ядерные взрывы производились не только на всем известных полигонах. Существовало более сотни других испытательных пунктов, информация о которых в последние годы все больше проникает в литературу. В СССР существовала Программа «Ядерные взрывы для народного хозяйства». Начало ее реализации относится к 1965 г.
    В рамках этой программы в СССР с 1965 по 1988 годы было проведено 124 промышленных ядерных взрыва (рис.5.28) с подрывом 135 зарядов. Из них 130 зарядов взорваны в скважинах, 4 – в штольнях и один заряд – в шахте. Многие из этих испытательных пунктов использовались многократно, являясь, по сути дела, испытательными полигонами. Из общего числа этих подземных ядерных взрывов 119 были камуфлетными (т.е. без выброса радиоактивных веществ в атмосферу) и 5 – экскавационными (т.е. с выбросом грунта, а, следовательно, и части радионуклидов). Камуфлетные взрывы преследовали разные цели. В частности, глубинное сейсмическое зондирование земной коры и литосферы, создание подземных резервуаров для хранения нефтепродуктов, захоронение глубоко под землей опасных химических веществ – отходов нефтехимического производства, предупреждение внезапных выбросов газа и угольной пыли в шахтах, создание плотин, гашение горящих газовых факелов и пр.

    Мирные ядерные взрывы производились и другими странами, но в гораздо меньших масштабах. Например, США в период с 1961 по 1973 годы осуществили 27 промышленных ядерных взрывов с 33 ядерными зарядами.
    При производстве камуфлетных взрывов выброса радионуклидов на дневную поверхность и в атмосферу не происходило. При экскавационных взрывах и взрывах для рыхления грунта происходил выход значительного количества радиоактивных продуктов в атмосферу с образованием радиоактивного облака и последующим разносом радионуклидов на большие расстояния. Так, при проведении экскавационного взрыва на объекте «Тайга» (на трассе строительства канала для переброски вод р. Печоры на юг) образовался радиоактивный след длиной 25 км, а радиоактивные продукты фиксировались в скандинавских странах и даже на территории США.
    Объекты подземных ядерных взрывов долгоживущие. Они не могут быть уничтожены и являются потенциально опасными источниками радиации, долгосрочные прогнозы поведения которых пока отсутствуют. К сказанному следует добавить, что после проведения подземных ядерных взрывов часто производилось вскрытие радиоактивных полостей буровыми скважинами для проведения различных научных экспериментов, что приводило к загрязнению радионуклидами (в первую очередь стронцием, цезием и тритием) бурового оборудования и грунта на рабочих площадках. После завершения работ радиоактивный грунт, буровые трубы и другие промышленные отходы закапывались в землю возле устья скважины. Все это создает дополнительную радиационную опасность данных объектов, над которыми должен быть установлен постоянный радиационный контроль.
    Большинство из объектов подземных ядерных взрывов в настоящее время в России практически бесхозны.

7) Загрязнение морей атомными кораблями

    Одной из трудно решаемых проблем атомного флота являются жидкие радиоактивные отходы – отработанная вода, используемая для охлаждения реакторов. Ее просто сливают в моря Северного Ледовитого океана, а также в Охотское и Японское моря. Опасными в радиационном отношении являются все базы подводных лодок, места переоборудования и ликвидации боевых ракет атомных подводных лодок.
    Срок эксплуатации подводных лодок составляет 20-30 лет, после чего они должны быть утилизированы, а ядерные реакторы и детали с наведенной радиоактивностью захоронены по действующим правилам и инструкциям, что нередко не соблюдается по причине недостатка денежных средств или по халатности. В результате во всех морях Северного Ледовитого океана имеются затопленные реакторы подводных лодок даже с невыгруженным ядерным топливом (рис.5.26).
    Корабли атомного флота по разным причинам терпят аварии и погружаются на дно океана вместе с реакторами и ядерными зарядами. Так, 7 апреля 1989 г. в 400 км севернее побережья Норвегии в результате аварии затонула подводная лодка «Комсомолец», в результате чего на дне Норвежского моря, помимо ядерных боеголовок, лежит реактор с обогащенным ²³⁵U весом 116 кг. Подъем лодки невозможен, поэтому сейчас организованы постоянные наблюдения за радиационной обстановкой у побережья Норвегии. В настоящее время на дне Атлантического океана покоятся пять погибших АПЛ (две американских и три отечественных), которые являются потенциальными источниками техногенных радионуклидов. Однако, как показали многолетние наблюдения за АПЛ «Комсомолец», поступление радионуклидов за пределы корпуса лодки происходит крайне медленно, кроме того, многие радионуклиды прочно сорбируются донными осадками, так что серьезной опасности для окружающей среды затонувшие АПЛ, по-видимому, не представляют.

Таблица 5.6. Некоторые аварии на морских и воздушных судах и космических аппаратах

    В 1964 г. потерпел аварию американский навигационный спутник SNAP-9A: он не вышел на орбиту и упал в Индийский океан. Авария спутника привела к распылению в атмосфере 629 ТБк ²³⁸Рu. Около 95% этого плутония выпало на поверхность Земли к концу 1970 г. Падение SNAP-9A привело к существенному изменению соотношения ²³⁸Pu/^239,240Pu в глобальных выпадениях. Авария советского спутника «Космос-954» в 1978 г. привела к поступлению в окружающую среду продуктов деления из бортового атомного реактора. Примерно 3/4 от общего количества РН рассеялись в верхних слоях атмосферы. Падение обломков произошло на территории Северной Америки.

9) Боеприпасы с обедненным ураном

    С 1990-х гг. дополнительным источником радиоактивного загрязнения окружающей среды в зонах локальных военных конфликтов (война в Пер­сидском заливе – 1991 г., военные действия в Боснии и Герцеговине – 1994 г., Сербии – 1999 г. и, наконец, в Ираке – 2003 г.) стал обедненный уран (ОУ).
    Обедненному урану были посвящены обширные исследования окружающей среды, несколько научных конференций, а также многочисленные публикации в научной литературе. Использование ОУ в военных целях связано с тем, что он является очень плотным металлом (плотность 19 г/см³), имеет высокую температуру плавления (1132°С), весьма пирофорен¹ и обладает пределом прочности на разрыв, соизмеримым с пределами для большинства типов сталей. Это делает его идеальным для применения в бронебойных боеприпасах и усиленной броне (рис.5.29).

10) Радиоактивные отходы

    После запрещения испытаний ядерного оружия в трех сферах проблема уничтожения радиоактивных отходов, образующихся в процессе использования атомной энергии в мирных целях, занимает одно из первых мест среди всех проблем радиационной экологии.
    По физическому состоянию радиоактивные отходы (РАО) подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. Жидкие и твердые радиоактивные отходы подразделяются по удельной активности на 3 категории: низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные.
    Для сбора радиоактивных отходов в организации должны быть специальные сборники. Места расположения сборников должны обеспечиваться защитными приспособлениями для снижения излучения за их пределами до допустимого уровня.
    Передача РАО из организации на переработку или захоронение должна производиться в специальных контейнерах. Переработку, долговременное хранение и захоронение РАО, как правило, производят специализированные организации.

Рис.5.30. Общая схема обращения с радиоактивными отходами.

    Хранилища радиоактивных отходов размещаются глубоко под землей (не менее 300 м), причем, за ними устанавливается постоянное наблюдение, так как радионуклиды выделяют большое количество тепла. Подземные хранилища РАО должны быть долговременными, рассчитанными на сотни и тысячи лет. Для облегчения захоронения и надежности последнего жидкие высокоактивные РАО превращают в твердые инертные вещества. В настоящее время основными методами переработки жидких РАО являются цементирование и остеклование с последующим заключением в стальные контейнеры, которые хранятся под землей на глубине нескольких сотен метров. Радиоактивные отходы в большом количестве производят атомные электростанции, исследовательские реакторы и военная сфера (ядерные реакторы кораблей и подводных лодок).

    Глубокое захоронение РАО используется не случайно. Естественные изменения геологической среды сопровождаются возникновением глубинных источников сейсмических колебаний, вызывающих на поверхности землетрясения различной интенсивности вплоть до разрушительных. Естественная сейсмичность является фактором, лимитирующим создание ответственных сооружений, в том числе связанных с обращением с отходами. Применительно к глубинному захоронению жидких, в том числе радиоактивных, отходов оценка сейсмической опасности имеет свои особенности, что обусловлено уменьшением сейсмического воздействия с глубиной.
    По данным оценок Канадских геологов по заказу компании «Онтарио-Гидро» в связи с захоронением отвержденных РАО, интенсивность сейсмического воздействия с глубиной уменьшается по зависимости, близкой к экспоненциальной. В мировой практике известны случаи, например в Китае, когда при землетрясениях горные выработки сохраняли устойчивость и все из находящихся в них шахтеры поднимались на поверхность, хотя населенный пункт рядом с шахтой был полностью разрушен. При разрушительном Газлийском землетрясении глубокие буровые скважины, использующиеся для добычи газа, практически не были повреждены, хотя поверхностное оборудование претерпело разрушения.
    В связи с этим ограничение создания полигонов захоронения жидких РАО по сейсмичности относится, прежде всего, к поверхностным сооружениям – павильонам скважин, трубопроводам, насосным станциям и т.д., которые при необходимости могут быть построены в сейсмостойком исполнении. Тем не менее, в районах, характеризующихся повышенной сейсмичностью и подобными землетрясениями, глубинное захоронение жидких РАО обычно не проводится.
    Иной характер может иметь деятельность человека. Бурение глубоких скважин в местах захоронения РАО, проходка горных выработок может привести к вскрытию коллекторских горизонтов, содержащих отходы, попаданию компонентов отходов на поверхность, в неглубокозалегающие грунтовые воды.
    Для предупреждения подобных явлений в районе полигонов захоронения отходов вводятся ограничения пользования недрами.

    Жидкие РАО Военно-Морского флота хранятся в береговых и плавучих емкостях в регионах, где базируются корабли с атомными двигателями. Годовое поступление таких РАО около 1300 м³. Они перерабатываются двумя техническими транспортными судами (один на Северном, другой на Тихоокеанском флотах). Кроме того, в связи с интенсификацией применения ионизирующего излучения в хозяйственной деятельности человека, с каждым годом возрастает объем отработанных радиоактивных источников, поступающих с предприятий и учреждений, использующих в своей работе радиоизотопы. Большая часть таких предприятий находится в Москве (около 1000), областных и республиканских центрах. Эта категория РАО утилизируется через централизованную систему территориальных организаций.
    Кроме РАО существует проблема отработанного ядерного топлива АЭС. Отработанное топливо перевозится на радиохимические комбинаты со специальными подземными хранилищами. Затем оно регенерируется и отправляется на АЭС для повторного использования в качестве ядерного горючего.

Рис.5.31. Окончательное удаление РАО в хранилища: низкоактивные – в приповерхностные, среднеактивные – в подземные, высокоактивные – в глубокие геологические формации.
Рис. 5.32. Районы сброса жидких РАО на Дальнем Востоке.

    В России разработана и осуществляется федеральная целевая программа «Обращение с РАО и отработавшими ядерными материалами, их утилизация и захоронение», утвержденная постановлением Правительства РФ. Поскольку Россия не в состоянии своими силами ускорить темп утилизации списанных АПЛ, частичное финансирование этих работ на безвозмездной основе осуществляют Норвегия, США, Франция и Великобритания.
    В настоящее время Россия прекратила сброс РАО в северные моря, в результате чего списанные и выведенные из эксплуатации атомные подводные лодки с невыгруженным ядерным горючим переполняют гавани и побережье Арктики, где расположены базы Северного флота, а также судостроительные и судоремонтные заводы.
    США и страны Западной Европы затапливали свои РАО в северо-восточной части Тихого океана, в северо-восточном и северо-западном секторах Атлантики.

    В США политика в области обращения с атомными отходами была сформулирована в 1982 году, когда был принят Акт о политике в области обращения с атомными отходами (Nuclear Waste Policy Act), который предусматривал геологическое захоронение высокоактивных отходов без переработки, а все предприятия ядерно-энергетического комплекса отчисляют в фонд специальный налог. Захоронение военных отходов оплачивается Федеральным правительством.
    После принятия этого акта было предложено для изучения девять площадок в шести штатах. Некоторое время планировалось организовать хранилище радиоактивных отходов в округе Деф-Смит, но в дальнейшем отказались от этой идеи в пользу Юкка-Маунтин. Самой ранней предполагаемой датой для начала строительства репозитория считается 2013 г. В результате атомная промышленность США до сих пор не имеет возможности долговременного захоронения радиоактивных отходов. Существующее в США глубокое геологическое хранилище Waste Isolation Pilot Plant принимает отходы только от оборонной индустрии. В настоящее время радиоактивные отходы в США хранятся на местах производства, что гораздо более опасно и накладно, чем перевозка и захоронение их в репозитории. Поэтому отказ администрации Обамы от продолжения проекта вызвал множество судебных исков, где защитниками проекта являются представители атомной промышленности и муниципалитетов, в которых находятся временные склады радиоактивных отходов, а с другой стороны – представители штата Невада, ряда экологических и общественных групп и в настоящее время федеральных властей.
    К существенным загрязнениям морской среды привела работа западноевропейских предприятий, перерабатывающих отработанное ядерное топливо. Наибольшее значение имеют два британских предприя­тия (Селлафилд и Доунрей) и французское «Кожема», расположенное на мысе Аг (рис. 5.34). Так, находящийся на восточном побережье Ирландского моря комплекс Селлафилд с 1951 г. проводит плановые сбросы низ­коактивных жидких отходов по трубопроводам в Ирландское море. Два других крупных европейских предприятия внесли существенно меньший вклад в загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами.

Рис. 5.34. Европейские предприятия по переработке ядерного топлива: 1 – Селлафилд, 2 – мыс Аг,
3 – Доунрей.
Рис. 5.35. Годовые сбросы ¹³⁷Cs в Ирландское море комплексом Селлафилд.

На рис. 5.35 представлены изменения годового сброса ¹³⁷Cs предприятием в Селлафилде. Максимальный сброс по β-излучающим РН пришелся на 1975 г. (9 ПБк), а по α-излучающим –
на 1973 г. (180 ТБк). Общая активность сбросов за 1952-1994 гг. оценивается в 39 ПБк ³Н, 41 ПБк ¹³⁷Cs, 6 ПБк ¹³⁴Cs, 6 ПБк ⁹⁰Sr, 120 ТБк ²³⁸Рu, 610 ТБк ^239,240Pu, 22 ПБк ²⁴¹Рu, 540 ТБк ²⁴¹Am. К 1992 г. сбросы многих долгоживущих РН (137Cs, трансурановых элементов) уменьшились примерно на два порядка по сравнению с серединой 1970-х гг. Тем не менее, загрязнение Северной Атлантики и Арктики ¹²⁹I к 1997 г. выросло примерно в 2.5 раза по сравнению с началом 1990-х гг., сбросы ⁹⁹Тс достигли максимума к 1995 г.
    Дальнейшая миграция РН, сбрасываемых в Ирландское море и Ла-Манш, определяется преобладающими течениями. Огибая Великобританию с юга и востока, радионуклиды поступают в Северное море, далее через Датские проливы проникают в Балтику. Значительная часть радионуклидов движется вдоль северо-западного побережья Норвегии, где делится на две основные ветви, одна из которых направляется к западу от Шпицбергена, другая – в сторону Баренцева моря. По усредненным оценкам, время переноса радионуклидов с водными массами из Селлафилда в Баренцево и Карское моря составляет 5-6 лет.

11) «Космический мусор».

    Мы все заслуженно гордимся достижениями космонавтики. С помощью космических аппаратов землян изучали Луну, все планеты Солнечной системы, их спутники, астероиды и кометы. Космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджеры» стартовавшие более 30 лет тому назад и запущенный на околоземную орбиту телескоп «Хаббл» позволили получить уникальные сведения о планетах Солнечной системы и далеких звездных системах. Сегодня ни одна развитая страна мира не может обойтись без мобильной связи, телевидения, радиосвязи, средств наблюдения за опасными участками земной поверхности, космической навигации, космической разведки и т.п. И все это заслуги ИСЗ и космонавтики.
    Однако у космических исследований есть также и «обратная сторона»: запуски ракет, разрушение и падение фрагментов космических аппаратов приводят к серьезным экологическим проблемам на Земле и в космосе.
    Проблема экологии космической деятельности возникла практически после первых запусков крупных ракет, однако потребовались десятилетия, чтобы осознать всю ее серьезность.
    Влияние запусков ракет на поверхность планеты во многом зависит от массы стартующих ракет, частоты запусков, т.е. грузопотока на орбиту. Последний составляет около 2200, 700 и 600 тонн в год для космодромов Байконур, мыс Канаверал и Плесецк соответственно.
    Высота самой большой ракеты «Аполлон» (именно с ее помощью были осуществлены пилотируемые полеты на Луну) превышала 100 метров, а масса была близка к 3 тыс. тонн. В настоящее время самая крупная ракета имеет массу около 2 тыс. тонн и высоту около 50 м. Такая ракета в секунду сжигает почти 10 т топлива и выбрасывает в атмосферу далеко не безвредные продукты сгорания. Самые «маленькие» космические ракеты имеют массу около 100 т. Масса топлива в ракетах всех типов – почти 90% массы ракеты.
    Наименее безобидным топливом считается жидкий водород. В результате его сгорания образуется водяной пар. Такое топливо использовалось в ракетах-носителях «Спейс Шаттл» (США). Кроме того, в этих же ракетах находят применение и твердотопливные ускорители, которые приводят к очень вредным выбросам. Украинская ракета «Зенит–2», как и российская «Союз», использует керосин – сравнительно безобидное топливо. В российской ракете «Протон» применяется очень агрессивное и высокотоксичное топливо – гидразин, гептил.
    Падение первых ступеней ракеты. Все ракеты имеют разное число ступеней – от 2 до 6. Нулевая и первая ступени ракеты-носителя работают около 1–2 минут. После сгорания топлива ступени отстреливаются и падают сравнительно недалеко (на расстоянии около 100 км) от места старта ракеты. Вторые и третьи ступени падают на удалениях около 800 и 2500 км соответственно. Для запуска ракет отчуждается участок земной поверхности площадью от 1.5 до 5 тыс. км². Только в СНГ под районы падений частей ракет отведены участки с суммарной площадью около 200 тыс. км², что составляет 20% площади Украины.
    Опасность представляют как сами ступени ракет, так и особенно остатки топлива, нередко токсичного. Только в странах СНГ остаткам топлива от ракет «Протон», «Циклон» и «Космос» загрязнено около 10 тыс. км² поверхности земли.

    Вот один из примеров нарушения экологического равновесия. Жители алтайского села Саратан рассказали, что первые несчастья у них начались еще в 1959 г. На альпийских лугах Алтая стали находить крупные обломки какой-то техники (многие думали инопланетной (о Байконуре в селе еще ничего не знали). Стали гибнуть лошади, коровы и овцы. Постепенно была уничтожена практически вся растительность, исчезли прекрасные высокогорные цветы. Затем улетели птицы: косачи, белые куропатки, глухари, кукушки и даже неприхотливые воробьи. Из окрестных лесов ушли лоси, волки и медведи. Наступила мертвая тишина. Жители алтайских сел стали рано седеть, страдать от заболеваний почек, печени, гипертонии, наблюдались случаи выпадения волос, зарегистрировано много случаев онкологических и странных психических заболеваний. Были отмечены случаи рождения детей-уродов. Столичные врачи связывали все это с воздействием ракетного топлива гептила, но правду больным не сообщали.

    Падение космических аппаратов и их фрагментов, отработавших на орбите и более неуправляемых, особенно если такие спутники имели ядерные силовые установки. Для штатного затопления грузовых КА «Прогресс» отведен район в южной части Тихого океана, восточнее Новой Зеландии. Его площадь составляет несколько миллионов квадратных километров, что в несколько раз превышает площадь Украины. Однако регулярно случаются и внештатные ситуации. Одна из таких угрожающих ситуаций возникла, например, 11 июля 1979 г. при падении обломков орбитальной станции (ОС) «Скайлэб» (США). Фрагменты рассеялись на площади в несколько тысяч квадратных километров, задев север Австралии и южную часть Индийского океана.
    Но даже управляемые спуски ОС таят в себе большую опасность. Дело в том, что на ОС возникает собственная загрязненная атмосфера, в которой развиваются малоизученные микроорганизмы. За 11 лет функционирования ОС «Мир» на ней появилось 140 видов микроорганизмов, у некоторых из них сменилось около 190 тыс. поколений. По мнению японских специалистов, эти микроорганизмы-мутанты представляют собой бактериологическое оружие. Они уже ставят космонавтов в экстремальные условия и угрожают землянам. Как поведут себя микробы после падения ОС в океан – не ясно и сегодня. В настоящее время на околоземных орбитах находится 58 объектов с ядерными и радиоизотопными установками. Их падение (а все КА рано или поздно падают) чревато серьезными экологическими последствиями.
    Влияние КА на приземную атмосферу заключается, прежде всего, в том, что именно она первой принимает на себя удар стартующей ракеты. Здесь происходят наибольшие по массе выбросы продуктов сгорания. Здесь генерируются наибольшие по мощности акустические и электромагнитные (включая оптические) излучения.

Например, одна из наиболее экологически чистых ракет – «Спейс Шаттл» выбрасывает в атмосферу около 1850 т продуктов сгорания, примерно половину этой массы – в приземную атмосферу. Одной соляной кислоты инжектируется в среду 160 т, из них более 90 т – в приземную атмосферу. После этого на больших площадях наблюдаются обильные кислотные дожди.

    Влияние на погоду и климат. До последнего времени такое влияние аргументированно отрицалось. Сейчас отдельные специалисты, проведя наблюдения, их статистическую обработку и компьютерное моделирование, пришли к выводу, что запуски всего 60 аппаратов типа «Спейс Шаттл» в год должны привести к изменению метеоусловий по обе стороны Атлантики. Влияние запусков ракет на Байконуре является более локальным. Они обычно сопровождаются усилением осадков. Так ли это – покажет будущее. Если подобное влияние существует, то оно, скорее всего, связано со спусковыми эффектами и процессами самоорганизации в атмосфере. Кроме рассмотренного воздействия, запуски КА сопровождаются тепловым, газодинамическим, электромагнитным воздействием струи, динамическим воздействием корпуса ракеты и другими эффектами.
    Разрушение озоносферы происходит за счет выбросов хлора и оксидов азота. При стартах ракет ежегодно в атмосферу инжектируется около 5 тыс. т хлора и 100 т оксидов азота. Исследования показали, что твердотельные ракеты наносят больший вред озоносфере, чем жидкостные. К счастью, пока что запуски КА способны разрушать озонсферу лишь вблизи места пролета ракеты, радиус возмущенной зоны не превышает нескольких километров. Глобальное влияние запусков при нынешней их интенсивности мало.
    Влияние космической деятельности на геокосмос (примерно от 100 до 36 000 км). Благодаря сильной разреженности геокосмос значительно более уязвим, чем приземная атмосфера. Космическая деятельность влияет на экологию геокосмоса по нескольким каналам. К ним относятся выбросы больших объемов химических веществ, часто отсутствующих в естественных условиях, инжекция акустической, электромагнитной и тепловой энергии, засорение околоземной среды фрагментами ракет и космических аппаратов («космическим мусором»).
    Космический мусор состоит из закончивших свою активную работу ИСЗ, последних ступеней ракет, разгонных блоков, обломков ракет и спутников, возникших в результате преднамеренных и аварийных взрывов. Необходимо помнить, что от 4 до 10% запусков ракет являются аварийными. За более чем 50 лет космической эры в геокосмос запущено более 25 тысяч искусственных космических объектов. Более 16 тысяч из их упали на поверхность Земли. Из остальных – в среднем только около 600 является действующими.
    Размеры фрагментов космического мусора изменяются от долей миллиметра до 5–6 метров. Только фрагментов размером более 10 см в геокосмосе находится около 8 тысяч. За ними ведется постоянное слежение, все данные о них занесены в специальные каталоги. Масса этих фрагментов превышает 3 тысячи тонн.
    Весь опыт человечества показывает: к чему бы человек ни прикоснулся – непременно наряду с несомненными благами появляются новые проблемы, в том числе и экологического характера. Уже сейчас экологическая проблема геокосмоса во весь рост стоит перед человечеством. Таков неизбежный итог техногенной деятельности человека в космосе. Научный и технологический прогресс остановить нельзя, остается лишь минимизировать его вредные экологические последствия.

1. Пирофорность – способность твёрдого материала в мелкораздробленном состоянии к самовоспламенению на воздухе при отсутствии нагрева.

2. Natural Resources Defense Council (NRDC) – некоммерческая, беспартийная международная экологическая правозащитная группа. Основана в 1970 г., включает около 1,3 млн. членов и онлайн-активистов в США и более 300 сотрудников: юристов, ученых и других экспертов политики.

---