Экологические последствия развития атомной энергетики

Общие характеристики поражающих факторов ядерных взрывов

Создание ядерного оружия и специфика физических процессов, протекающих при ядерном (термоядерном) взрыве, определили особый характер поражающих факторов, сопровождающих его применение. Этот особый характер обусловлен качественно более высокой концентрацией энергии взрыва по сравнению с традиционными видами оружия (до 10 ⁶ раз на единицу массы), существенно более высокой скоростью взрывного процесса (до 10 ³-10 ⁴раз), наличием проникающего излучения взрыва (в том числе гамма- и нейтронного излучений, сопровождающих взрыв), наработкой значительного количества высокоактивных, достаточно долгоживущих радионуклидов, выпадение которых может определять большие зоны территории со значительным радиационным фоном.

Высокая массовая и объёмная концентрация энергии взрыва при малых временах её выделения определяет соотношение распределения энергии взрыва между кинетической и внутренней энергией продуктов взрыва боеприпаса, с одной стороны, и энергией первичного излучения, выходящего из боеприпаса, -- с другой. При взаимодействии этих видов энергии с атмосферой, окружающей заряд, в ней формируется зона, прогретая до температуры в несколько тысяч градусов, „огненный шар“, излучающий заметную долю энергии взрыва в диапазоне спектральной прозрачности атмосферы, „тепловое“ излучение которого является одним из основных поражающих факторов ядерного взрыва в атмосфере (воздушный, наземный, надводный взрывы). Одной из основных характеристик теплового излучения является распределение потока этой энергии на различных расстояниях, а также параметры его длительности.

Резкий перепад концентрации энергии, созданный взрывом, в слоях атмосферы, окружающих заряд, определяет перенос значительной части энергии взрыва в атмосфере в виде воздушной ударной волны. Важной характеристикой этого вида ПФЯВ является распределение максимального избыточного давления на фронте ударной волны на различных расстояниях от центра взрыва, а также импульса давления, создаваемого взрывом. Взаимодействие ударной волны с поверхностью грунта (воды) приводит к изменению её характеристик вдоль земной поверхности.

С другой стороны, взаимодействие энергии взрыва, в том числе воздушной ударной волны, с грунтом или водой приводит к формированию ударной волны, распространяющейся в грунте или воде, создающей сейсмическое воздействие. Важными характеристиками этого вида ПФЯВ являются как избыточное давление на фронте ударной волны, так и создаваемое смещение элементов нагруженной среды.

В условиях подземного (подводного) взрыва перенос энергии осуществляется ударной волной, которая может воздействовать на заглублённые, подводные объекты или объекты, находящиеся на поверхности.

В верхних слоях атмосферы часть энергии первичного излучения ядерного взрыва может переноситься на значительные расстояния. К характеристикам этого вида ПФЯВ относится распределение потока энергии излучения на различных расстояниях, его спектральное распределение и параметры длительности.

Процесс деления ядер сопровождается наработкой избыточных нейтронов, которые в процессе взрыва выходят за пределы боеприпаса и распространяются в окружающих слоях атмосферы. Наработка избыточных нейтронов идёт и при горении термоядерного горючего. Этот вид ПФЯВ характеризуется распределением потока и энергии нейтронов в зависимости от расстояния до центра взрыва.

Процесс деления ядер и взаимодействие нейтронов взрыва с некоторыми материалами приводят к наработке гамма-излучения, сопровождающего взрыв боеприпаса. Этот вид ПФЯВ характеризуется распределением потока энергии гамма-квантов в зависимости от расстояния до центра взрыва, а также параметрами длительности. При взаимодействии гамма-излучения взрыва с атмосферой возникает ток комптоновских электронов, который может приводить к формированию электромагнитного импульса ядерного взрыва.

При наземном ядерном взрыве или ядерном взрыве с небольшим заглублением происходит образование воронки выброса грунта, в сильной степени деформирующей поверхность в районе эпицентра. Такой взрыв сопровождается выбросом в атмосферу значительных масс грунта, в основном выпадающих обратно в районе эпицентра взрыва и частично переносимых (лёгкие фракции) атмосферными потоками до своего осаждения на значительных расстояниях от эпицентра. Фракции выброшенного взрывом грунта содержат радионуклиды, наработанные в ядерном взрыве(в частности, продукты деления ядер), и определяют при своём выпадении радиоактивное загрязнение местности. Облако, содержащее продукты взрыва, представляет собой зону повышенной радиации в атмосфере. Такое облако формируется и при воздушном ядерном взрыве.

При надводном (подводном) взрыве происходит выброс значительных масс воды с её последующим обрушением и формирование различных видов волн, распространяющихся вдоль поверхности. Такой взрыв также сопровождается образованием радиоактивного облака с последующим выпадением радионуклидов.

4. Атомная энергетика

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции (табл.24), не загрязняет атмосферу дымом и сажей. Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.

Таблица24.

*- При содержании урана в руде менее 0.1%.

**- При прямоточном охлаждении.

К концу 1984 г. в 26 странах работало 345 ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Их мощность составляла 220 ГВт или 13% суммарной мощности всех источников электроэнергии. К 1994 году в мире работало 432 атомных реактора, их суммарная мощность составила 340 ГВт. Структура энергетики различных стран на 1988 и 1994 годы дана таблицах 25 и 26.

Таблица 25.

Таблица 26.

Прогнозируемые перспективы развития ядерной энергетики мире показаны в таблице 27.

Таблица 27

Производство электроэнергии на АЭС является одним из звеньев ядерного топливного цикла, производственная и дозовая структура которого показана в таблице 28.

Таблица 28.

* ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент.

В процессе работы ядерных реакторов в них накапливается огромное количество продуктов ядерного деления и трансурановых элементов (таблица 29).

Таблица 29.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов во внешнюю среду незначительны и состоят в основном из радионуклидов йода и инертных радиоактивных газов (Хе, Сг), периоды полураспада которых (за исключением изотопа ⁸⁵Кг) в основном не превышают нескольких суток. Эти нуклиды образуются в процессе деления урана и могут просачиваться через микротрещины в оболочках твэлов (тепловыделяющие элементы, содержащие внутри себя уран). Так, в течении 1992 года максимальные среднесуточные радиоактивные выбросы на АЭС России в процентах от допустимой нормы составили (ИРГ - инертные радиоактивные газы):

1. На АЭС с ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор):

- йода от 0.02 до 54%,

- ИРГ от О.15 до 10%.

2. На АЭС с РБМК (реактор большой мощности канальный):

- йода от 0.02 до 24%,

- ИРГ от 0.02 до 55%.

Среднесуточный допустимый выброс равен :

- по йоду 0.01 Ки/сут * 1000 МВт,

- по ИРГ 500 Ки/сут * 1000 МВт.

90% всей дозы облучения, возможной в результате выброса на атомной станции и обусловленной короткоживущими изотопами (йод, ИРГ), население получает в течение года после выброса, 98% - в течение 5 лет. Почти вся доза приходится на людей, живущих вблизи АЭС. Дозы облучения обычно значительно ниже установленных пределов для отдельных лиц из населения (0.5 бэр/год). Долгоживущие продукты выброса (¹³⁷Сз, ⁹⁰Ce,⁸⁵Кг и др.) распространяются по всему земному шару. Оценка ожидаемой коллективной эквивалентной дозы от облучения такими изотопами составляет 670 чел-Зв на каждый ГигаВатт вырабатываемой электроэнергии. Приведенные выше оценки получены в предположении, что ядерные реакторы работают нормально. Вклады различных источников облучения в этом случае приведены на рисунке 8. Количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при аварии, существенно больше. Известно, что за период с 1971 по 1984 гг. в 14 странах мира произошла 151 авария на АЭС. 26 апреля 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции произошла авария с разрушением активной зоны реактора, что привело к выбросу части накопившихся в активной зоне радиоактивных продуктов в атмосферу.

На рис. 9 показана схема загрязнения территории в районе Чернобыльской АЭС. В качестве условной границы загрязненной территории принята изолиния мощности дозы -излучекия 0.05 мР/год на 10 июня 1986г.
В таблицах 28 и 29 приведены ежесуточные выбросы радиоактивных веществ в атмосферу из аварийного блока (без радиоактивных инертных газов) и оценка радионуклидного состава выброса.

Таблица 28.

· значения пересчитаны на 6 мая 1986 года с учетом радиоактивного распада. В момент выброса 26 апреля 1986 г.активность составила 20-22 МКи

Таблица 29. Оценка радионуклидного состава выброса из аварийного блока Чернобыльской АЭС.

* Приведены данные об активности основных радионуклидов, определяемых при радиометрическом анализе.

** Суммарный выброс к 6 мая 1986г.

5. Воздействие радиации на человека

Эффекты воздействия радиации на человека обычно делятся на две категории (рис. 10):

1) Соматические (телесные) - возникающие в организме человека, который подвергался облучению.

2) Генетические - связанные с повреждением генетического аппарата и проявляющиеся в следующем или последующих поколениях: это дети, внуки и более отдаленные потомки человека, подвергшегося облучению.

Рис. 10. Радиационные эффекты облучения человека.

Различают пороговые (детерминированные) и стохастические эффекты. Первые возникают когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором заметно нарушаются функции пораженных органов. Зависимость тяжести нарушения от величины дозы облучения показана в таблице 30.

Таблица 30.

Хроническое облучение слабее действует на живой организм по сравнению с однократным облучением в той же дозе, что связано с постоянно идущими процессами восстановления радиационных повреждений. Считается, что примерно 90% радиационных повреждений восстанавливается. Стохастические (вероятностные) эффекты, такие как злокачественные новообразования, генетические нарушения, могут возникать при любых дозах облучения. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления. Для количественной оценки частоты возможных стохастических эффектов принята консервативная гипотеза о линейной беспороговой зависимости вероятности отдаленных последствий от дозы облучения с коэффициентом риска около 7 *10^-2 /Зв. (Таблица 31).

Таблица 31.

* Все население включает не только как правило здоровый работающий персонал, но и критические группы (дети, пожилые люди и т.д.)

Радионуклиды накапливаются в органах неравномерно. В процессе обмена веществ в организме человека они замещают атомы стабильных элементов в различных структурах клеток, биологически активных соединениях, что приводит к высоким локальным дозам. При распаде радионуклида образуются изотопы химических элементов, принадлежащие соседним группам периодической системы, что может привести к разрыву химических связей и перестройке молекул. Эффект радиационного воздействия может проявиться совсем не в том месте, которое подвергалось облучению. Превышение дозы радиации может привести к угнетению иммунной системы организма и сделать его восприимчивым к различным заболеваниям. При облучении повышается также вероятность появления злокачественных опухолей.

В таблице 32 приведены сведения о накоплении некоторых радиоактивных элементов в организме человека. Организм при поступлении продуктов ядерного деления подвергается длительному, убывающему по интенсивности, облучению. Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень. Дозы, поглощенные в них, на 1-3 порядка выше, чем в других органах и тканях. По способности концентрировать всосавшиеся продукты деления основные органы можно расположить в следующий ряд:

щитовидная железа > печень > скелет > мышцы.

Так, в щитовидной железе накапливается до 30% всосавшихся продуктов деления, преимущественно радиоизотопов йода. По концентрации радионуклидов на втором месте после щитовидной железы находится печень. Доза облучения, полученная этим органом, преимущественно обусловлена радионуклидами ⁹⁹Мо,¹³²Te,¹³¹I, ¹³²I, ¹⁴⁰Bа, ¹⁴⁰Lа.

Таблица 32.

* Относящаяся к данному органу доля полной дозы, полученной всем телом человека.

Среди техногенных радионуклидов особого внимания заслуживают изотопы йода. Они обладают высокой химической активностью, способны интенсивно включаться в биологический круговорот и мигрировать по биологическим цепям, одним из звеньев которых может быть человек (рис. 11). Основным начальным звеном многих пищевых цепей является загрязнение поверхности почвы и растений. Продукты питания животного происхождения - один из основных источников попадания радионуклидов к человеку. Исследования, охватившие примерно 100000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, показывают, что рак - наиболее серьезное последствие облучения человека при малых дозах. Первыми среди раковых заболеваний, поражающих население, стоят лейкозы (рис. 12).

Распространенными видами рака под действием радиации являются рак молочной железы и рак щитовидной железы. Обе эти разновидности рака излечимы и оценки ООН показывают, что в случае рака щитовидной железы летальный исход наблюдается у одного человека из тысячи, облученных при индивидуальной поглощенной дозе один Грей. Данные по генетическим последствиям облучения весьма неопределенны. Ионизирующее излучение может порождать жизнеспособные клетки, которые будут передавать то или иное изменение из поколения в поколение. Однако анализ этот затруднен, так как примерно 10% всех новорожденных имеют те или иные генетические дефекты и трудно выделить случаи, обусловленные действием радиации. Экспертные оценки показывают, что хроническое облучение при дозе 1 Грей, полученной в течение 30 лет, приводит к появлению около 2000 случаев генетических заболеваний на каждый миллион новорожденных среди детей тех, кто подвергался облучению. В последние десятилетия процессы взаимодействия ионизирующих излучений с тканями человеческого организма были детально исследованы. В результате выработаны нормы радиационной безопасности, отражающие действительную роль ионизирующих излучений с точки зрения их вреда для здоровья человека. При этом необходимо помнить, что норматив всегда является результатом компромиса между риском и выгодой.

6. Экологические последствия ядерных испытаний и применения ядерного оружия

Загрязнение огромных площадей земной поверхности исключит возможность использования их для животноводства и растениеводства, т.д. Продукты, загрязненные радиоактивными веществами, при их потреблении могут вызвать у человека поражения различных органов и систем и оказать продолжительное тератогенное и мутагенное действие, вследствие чего увеличится частота злокачественных заболеваний, а также уродств у потомков. В результате пожаров, захватывающих крупные регионы, уменьшится количество кислорода в воздухе, резко повысится содержание в нем окисей азота и углерода, что обусловит образование в защитном слое земной атмосферы так называемых «озоновых дыр». В таких условиях фауна и флора подвергнется неблагоприятному воздействию ультрафиолетового излучения солнца. Образующиеся при наземных ядерных взрывах мощные грибовидные облака и дым от гигантских пожаров могут полностью экранировать солнечную радиацию и тем самым вызвать охлаждение земной поверхности, что приведет к наступлению так называемой «ядерной зимы». Таким образом, использование ядерной энергии в военных целях превратит процветающие и плодородные регионы планеты в безжизненные пустыни. Поэтому важнейшим составным элементом среди мероприятий, направленных на сохранение естественной экосистемы Земли, является борьба за запрещение использования и полное уничтожение ядерного оружия. Первый практический шаг в этом направлении сделан. Благодаря усилиям, прежде всего СССР заключен и введен в действие договор о ликвидации ракет средней и меньшей дальности.

При подрыве в ходе войны ядерных зарядов общей мощностью 10 тыс. мегатонн на территории, равной США, практически весь животный мир будет уничтожен, ибо средний уровень радиации по все стране превысит 10 тыс. рад. Не совсем ясна судьба рыб, так как, с одной стороны, вода дает некоторую защиту от радиации, но, с другой стороны, радиоактивные осадки будут смываться именно в водоемы, что приведет к еще большим проблемам экологии.

Сравнительно высокая сопротивляемость насекомых, бактерий и грибковых таит в себе много неприятностей, как для человека, так и для природы. Эти организмы, по крайней мере, на короткое время, избегнут гибели и, возможно, даже расплодятся в фантастических количествах. Смертельная доза для насекомых колеблется для разных особей от 2 тыс. до 10 тыс. рад. Выживут наиболее прожорливые насекомые - фитофаги (травоядные), причем их бурному размножению будет содействовать гибель птиц.

Крупные растения больше пострадают от радиации, чем мелкие. Деревья погибнут первыми, трава - последней. Наиболее чувствительны к радиации сосна, ель и другие вечнозеленые деревья, смертельная доза радиации для которых равна дозе для млекопитающих. Смертельная доза для 80% лиственных пород деревьев составляет от 8 тыс. рад.

Трава погибнет при получении дозы величиной от 6 тыс. до 33 тыс. рад.

Культурные посадки будут уничтожены уже в первые секунды ядерной войны - для этого достаточно дозы в 5 тыс. рад.и менее.

Экология взаимозависима, когда гибнет растительность, деградирует почва. Дожди ускоряют процесс вымывания и питания минеральных веществ. Избыток этих веществ в реках и озерах приведет к убыстренному размножению водорослей и микроорганизмов, что в свою очередь понизит содержание кислорода в воде.

Почва, утратившая свои питательные свойства, не сможет поддерживать прежний уровень флоры. В результате стойкие виды растений (трава, мох, лишайники) постепенно заменят уязвимые виды (деревья). Растительность будет восстанавливаться в основном за счет трав, что может привести и к понижению биомассы и соответственно продуктивности экосистемы на 80%.

Проблема исчезнут быстро, обычный процесс восстановления экологического равновесия замедлится или нарушится. В истории Земли были естественные катастрофы (например, ледниковый период), приводившие к массовому исчезновению крупных экосистем. Каким путем пойдет эволюция оставшейся живой материи - предсказать трудно. На Земле не проходило глобальных катастроф в течение нескольких миллионов лет. Ядерная война, возможно, станет последней такой катастрофой.

Преставление о состоянии пустынь после ядерных взрывов дают результаты испытаний ядерного оружия в пустыне Мохейв (штат Невада). На протяжении 8 лет в этом месте было произведено 89 небольших атмосферных взрывов. Уже первые из них уничтожили всю биосферу площадью до 204 га. Площадь частичного уничтожения составила 5255 га. Через 3-4 года после прекращения испытаний в этом районе появились первые признаки возвращения растительности. Полного восстановления экологии местности следует ждать не ранее чем через несколько десятков лет.

А при применении биологического (бактериологического) и химического оружия происходит загрязнения окружающеё среды, воды, воздуха, а так же отравление животных, в том числе и человека.

Заключение

1. Ядерные испытания оказывают большое влияние на окружающую среду, жизнедеятельность всех живых организмов, начиная от простейших бактерий и заканчивая высшими живыми организмами, включая человека.

2. Ядерное оружие оказывает разрушительное действие на важнейшие элементы биосферы - растительность и животный мир, атмосферу, реки и озера.

3. Используя, это оружие мы не задумываемся о последствиях, которые могут повлиять на экосистему и жизнь всех живых организмов в целом.

Список используемой литературы

1. Ильин Л.А., Кирилов В.Ф., Коренков И.П. «Радиационная гигиена» Москва 2010.

2. Василенко О.И. «Радиационная экология» Москва 2004.

3. Шапимов А.И. «Экология: тревога нарастает» С-Петербург 1989 г.

4. Книга «Ядерные испытания СССР». Том 1.

5. Будыко М.И. «Современные проблемы экологии» Москва1994г.

6. Григорьев А.А. «Экологические уроки прошлого и современности» С-Петербург 1991.

7. Возняк В.Я. «Чернобыль: события и уроки» 1989.

8. Бабаев Н.С., Демин В.Ф., Ильин Л.А. «Ядерная энергетика: человек и окружающая среда» Москва 1984.

Размещено на Allbest.ru