Основы экологии

К основным источникам получения электроэнергии и тепла относятся различные виды органического топлива (уголь, нефть, газ, торф), ядерное топливо, гидроэнергоресурсы.

Ведущее место в производстве электроэнергии занимают тепловые электростанции. В 1996 г. структура производства электроэнергии в России сложилась следующим образом (табл. 1):

Таблица 1

Тип электростанции	Доля в общероссийском производстве электроэнергии, %
ТЭС АЭС ГЭС	69 13 18

Тепловая энергетика является самым мощным загрязнителем среды, на нее приходится 26,6% от общего количества всех промышленных выбросов в атмосферу России и 4,8% сточных вод.

Сравнение удельных выбросов в атмосферу различными типами электростанций показывает, что особо сильное загрязнение создается при сжигании угля (табл. 2).

Таблица 2

Выбросы в атмосферу при сжигании топлива (г/кВт ч)

Загрязнители	Виды топлива
	Каменный уголь	Бурый уголь	Мазут	Природ, газ
so2 Твердые частицы NOx*	6,0 1,4 21,0	7,7 2,4 3,45	7,4 0,7 2,45	0,002 1,9

* Азот образует смесь различных оксидов (N₂0, NO, N0₂, N0₃, N₂0₃, N₂0₄, N₂0₅). Однако лишь NO - оксид азота и N0₂- диоксид азота имеют значение как атмосферные загрязнители. Обычно определяют суммарные концентрации NO и N0₂ в атмосфере, обозначая их как NOx.

Воздействие тепловых электростанций на природную среду идет в нескольких направлениях и сказывается на загрязнении атмосферы, водных ресурсов, земельных угодий.

Наиболее сильным оказывается загрязнение воздушного бассейна. При сжигании на ТЭС мощностью 2400 МВт донецкого антрацитового штыба (1060 т/ч) из топок котлоагрегатов удаляется 34,5 т/ч шлака, из бункеров электрофильтров, очищающих газы на 99%, - 193,5 т/ч уловленной золы, через дымовые трубы в атмосферу выбрасывается 10 млн. м³/ч дымовых газов, содержащих помимо азота и остатков кислорода двуокись углерода, пары воды, двуокись серы, окислы азота, летучую золу, неуловленную в золоуловителях. Особую опасность представляют выбросы окислов углерода, серы и азота. Моноксид углерода СО, образуется при неполном сгорании углеродсодержащих веществ, представляет опасность для человека. Он может связываться с гемоглобином крови, а также участвует в образовании смога.

Диоксид углерода С0₂ образуется при полном окислении кислородсодержащего топлива. Попавший в атмосферу С0₂ остается в ней в среднем 2-4 года. За это время он повсеместно распространяется по земной поверхности. Влияние С0₂ выражается не только в токсическом действии на живые организмы, но и в способности поглощать инфракрасные лучи. При нагревании земной поверхности солнечными лучами часть тепла в виде инфракрасного излучения отражается обратно в мировое пространство. Отраженное тепло частично перехватывается газами, поглощающими инфракрасное излучение. Если это явление происходит в тропосфере, то наблюдающийся рост температуры может приводить к климатическим изменениям - "парниковому эффекту". Именно выбросы С0₂ в значительной степени определяют процесс потепления климата. Согласно расчетам, при удвоении содержания СО в атмосфере среднее глобальное увеличение температуры составляет 0,8-2,9°С.

Содержание в выбросах сернистых соединений зависит от применяемого топлива (от месторождения). При содержании в воздухе двуокиси серы 0,1-0,2 мг/м³ потери прироста хвойных пород деревьев по сравнению с незагазованными районами составляют 10%, а при концентрации 0,5 мг/м³ - 48%. Коррозия стали протекает значительно быстрее, если в воздухе присутствуют пыль и двуокись серы даже в концентрациях ниже нормы.

Тепловая энергетика дает примерно 50% выбросов окислов азота в атмосферу. В количественном отношении выбросы окислов азота в 3-5 раз ниже, чем двуокиси серы. Однако они более токсичны, способствуют образованию фотохимического смога, приводят к накоплению в приземном слое озона, усиливающего парниковый эффект. Окислы азота обладают резко выраженным раздражающим действием, особенно на слизистые оболочки. Высока их биологическая активность - при концентрации 4-6 мг/м³ происходит повреждение растений.

Более сильным может оказаться действие сочетаний отдельных элементов - сказывается эффект суммации. При одновременном содержании в атмосфере нескольких вредных веществ однонаправленного действия их допустимые концентрации должны удовлетворять неравенству:

Для выбросов тепловых электростанций наиболее опасной является суммация сернистого газа и двуокиси азота.

Присутствие оксидов серы и азота в атмосфере способствует возникновению "кислотных" дождей. Кислоты могут выпадать из атмосферы и без воды, сами по себе или с частицами пыли, образуя сухие кислотные отложения. Негативное влияние кислотных осадков можно проследить в нескольких направлениях:

- гибнут водные экосистемы; рН пресноводных систем обычно составляет 6-7, организмы водоемов адаптированы к этому уровню и при изменении рН всего на 1 единицу испытывают сильный стресс и часто погибают. Особенно увеличение кислотности водоема препятствует процессу размножения;

- происходит деградация лесов;

- кислоты нарушают защитный восковой покров листьев, растения становятся уязвимыми для многих патогенных организмов;

- кислотные осадки, просачиваясь сквозь почву, способны выщелачивать алюминий и тяжелые металлы, которые оказывают сильное токсичное воздействие как на растения, так и на животных. Наряду с указанными токсичными соединениями, значительными по объему, минеральная часть твердого топлива содержит различные металлы. Количество большинства из них невелико, но высокая токсичность делает их опасными. Из числа металлов, содержащихся в минеральной части угля и сланца, высоко токсичны: марганец, ванадий, хром, свинец, ртуть, мышьяк, кобальт, уран. Содержание этих элементов различается по угольным бассейнам.

Существенны выбросы продуктов недожога, особенно канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Содержание их определяется типом сжигаемого топлива, а также количеством и режимом выброса дымовых газов, метеоусловиями. Велико и загрязнение бенз(а)пиреном -веществом 1 класса вредности.

Выбросы основных вредных элементов от сжигания нефтяного топлива (мазута) значительно меньше, чем при сжигании угля. Однако при сжигании мазута выделяются окислы различных элементов: V₂0₅, Ni0₃, Mn0₂, A1₂0₅, F₂0₅, Si0₂, MgO. Высок также выход бенз(а)пирена.

Наиболее экологически чистым видом топлива явл-ся природный газ. При его сжигании существенно сокращаются объемы сернистых соединений и твердых частиц.

Существует ряд способов уменьшения вредного воздействия тепловых станций, связанного с загрязнением атмосферы. Один из них - очистка топлива, которая может существенно изменить вредность выбрасываемых газов.

Уменьшение выбросов массовых загрязнителей - летучей золы, двуокиси серы и окислов азота может происходить за счет внедрения ряда технических мероприятий. Предотвращение загрязнения атмосферы летучей золой достигается очисткой всего объема продуктов сгорания твердого топлива в высокоэффективных золоулавливателях. Сокращение выброса окислов азота с продуктами сгорания топлива обеспечивается изменением технологии сжигания топлива. Наиболее сложно снижение выбросов окислов серы. Уменьшение выбросов сернистых соединений в атмосферу может идти по 3-м направлениям: 1) очистка нефтяного топлива на НПЗ, 2) переработка топлива на ТЭС до его сжигания с целью получения шалосернистых выбросов, 3) очистка дымовых газов от окислов серы. Работы по уменьшению вредных выбросов тепловых электростанций связаны со значительным удорожанием 1 кВт установленной мощности. Радиус воздействия тепловых электростанций на окружающую территорию велик и зависит от высоты трубы и особенностей метеорологической ситуации. При высоте трубы до 300м он достигает 50 км.

Тепловые электростанции являются крупными потребителями водных ресурсов. На испарение при охлаждении турбогенератора расходуется около 3 л воды на каждый 1 кВт/ч выработанной электроэнергии. Большое водопотребление и водоотведение прежде всего приводят к тепловому загрязнению. Проблема теплового загрязнения вод особенно обострилась с наращиванием единичной мощности электростанций.

Для того чтобы влияние сбросной теплоты не нарушало экосистемы водоема, тепловые сбросы по санитарным нормам не должны вызывать повышение собственной температуры водоема более чем на 5° в зимнее время и на 3° в летнее. Тепловое загрязнение водоемов ведет к изменению биоты под воздействием выпуска нагретых вод. Возникают и гигиенические аспекты - более чем в 1,5 раза увеличивается ВПК, растет количество основных форм азота (аммиак, нитраты, нитриты), более активно проявляются токсические свойства различных химических веществ, попадающих в водоемы. Тепловые электростанции сбрасывают сточные воды, загрязненные нефтепродуктами, отработанные растворы после химической очистки теплосилового оборудования. Сочетание сброса подогретых вод электростанций и сильно загрязненных промышленных, сельскохозяйственных, бытовых стоков приводит к уменьшению содержания в воде кислорода. Для уменьшения теплового загрязнения крупных водных систем используют подводные брызгальные устройства, отвод теплых вод на большую глубину, сооружение зигзагообразных дамб, искусственную аэрацию водоемов.

Наиболее эффективно применение оборотной системы водоснабжения на водохранилищах - охладителях и градирнях. В то же время создание оборотной системы на водоеме-охладителе обходится примерно на 10-15% выше стоимости прямоточной системы, при этом возможно изменение уровня грунтовых вод, их качества, но главное - происходит существенное изъятие земельных ресурсов. До 50% воды в водохранилище-охладителе теряется на испарение. Стоимость градирен на 20-25% выше стоимости пруда-охладителя, а безвозвратные потери воды в них возрастают в 1,5 раза. В градирне охлаждение воды происходит как за счет ее частичного испарения, так и за счет непосредственной теплоотдачи.

Выбросы больших объемов тепла и влаги непосредственно в атмосферу приводят к увеличению влажности, облачности, количества осадков, туманов, гололедов в радиусе до 3 км, особенно в осенне-весенний период. Факелы градирен содержат некоторое количество солей вследствие выноса части минеральных веществ, содержащихся в воде, и коррозии металла. В связи с этим возможно засоление и закисление почв.

Сооружение тепловых электростанций приводит к существенному изъятию земельных ресурсов - большие территории отводятся под склады топлива, для хранения золы и шлака. Наличие золоотвалов способствует усилению эрозии окружающих земель, уменьшению плодородия сельскохозяйственных угодий. Даже после ликвидации золоотвала эта территория в течение 7-12 лет не пригодна для сельского хозяйства. Зола может использоваться в хозяйстве. Масштабы ее утилизации определяются составом и свойствами. Зола с большим количеством окиси кальция без дополнительной обработки может быть использована для щелочения кислых почв и как удобрение, так как содержит соединения калия и микроэлементы. Золу такого состава получают после сжигания сланца, канско-ачинских бурых углей, торфа. Применение сланцевой золы для известкования кислых почв существенно повышает урожай.

Зола многих других видов топлива имеет в своем составе значительно меньшее содержание окиси кальция и применяется для производства искусственных пористых заполнителей, для замены части цемента при изготовлении бетона, как наполнитель углеводородных вяжущих веществ при подготовке покрытий в дорожном строительстве.

Развитие тепловой энергетики в перспективе будет ограничено экологическими рамками. По расчетам специалистов, к середине XXI в. отходы тепловой энергетики при существующих темпах прироста могут превысить современный уровень в 20-30 раз. Это может привести к возникновению "теплового барьера" для развития энергетики мира в связи с нарушением теплового баланса планеты и возможным изменением климата.

Атомная энергетика

В настоящее время на долю ядерной энергетики в мире приходится 17% производимой энергии. В ряде стран эта доля значительно выше: Литва - 83,4%, Франция - 77,4, Бельгия - 57,2, Словакия - 44,5, Швейцария - 44,4, Украина - 43,8.

Воздействие атомных электростанций на окружающую среду нельзя рассматривать изолированно от других стадий ядерного топливного цикла (ЯТЦ). ЯТЦ включает следующие взаимосвязанные производства: добычу урановой руды, ее переработку с получением урановых концентратов и гексафторида урана; разделение изотопов (обогащение) урана; изготовление тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов); производство тепловой и электрической энергии на АЭС; регенерацию отработанного ядерного топлива на радиохимических заводах, хранение, обработку и захоронение отходов высокой и низкой удельной активности; транспортировку топлива и радиоактивных отходов между различными предприятиями ЯТЦ; демонтаж ядерных установок.

Каждое звено ЯТЦ имеет определенное воздействие на окружающую среду.

I. Добыча и переработка урановой руды с получением урановых концентратов

Уран - тяжелый металл, добываемый из урановых руд. Добыча руды становится рентабельной, если она содержит хотя бы несколько килограммов урана на тонну. Добыча урана идет на урановых месторождениях, кроме того, он извлекается попутно с другими полезными ископаемыми: золотом, медью, свинцом, бурым углем и т. д. Урановые руды добываются традиционными способами - открытым и подземным. Полученная руда подвергается предварительной обработке, измельчению, выщелачиванию. В последнее время получили распространение новые скважинные, шахтные и комбинированные методы внутримассового выщелачивания полезных компонентов из руд на месте их залегания.

Обработка идет на гидрометаллургических заводах (ГМЗ). Мощности ГМЗ составляют от 500 до 50 000 т уранового концентрата в год. Для силикатных и алюмосиликатных руд основным является метод выщелачивания раствором серной кислоты с окислителями.

Карбонатные руды выщелачивают раствором карбоната и бикарбоната натрия с окислителями.

Для упорных руд применяют кислотное автоклавное выщелачивание при повышенных температурах.

Полученный концентрат - "желтый KeKc"(Yellow cake) поступает на дальнейшую переработку.

Загрязнение на предприятиях этой стадии связано с поступлением в окружающую среду жидких, твердых и газообразных радиоактивных отходов (РАО), содержащих естественные радиоактивные вещества - уран и дочерние продукты его распада.

Основными явл-ся твердые отходы, представленные отвалами пустых пород, складами забалансовых руд, хвостохранилищами ГМЗ.

На каждые 200 т извлекаемого урана (годовая потребность АЭС мощностью 1 ГВт) образуется 10⁵ т РАО, накапливающихся в хвостохранилищах. Они представлены торием-230 с периодом полураспада 8 *10⁴ лет, радием-226 с периодом полураспада 0,16 * 10⁴ лет, долгоживущими изотопами урана с периодом полураспада в сотни миллионов лет. Существующее загрязнение от хвостохранилищ можно значительно сократить покрывая их слоем земли. Из рудников вместе с вентиляционным воздухом в атмосферу выбрасывается радон-222 и радиоактивная пыль с радиоактивными аэрозолями.

Жидкие РАО поступают с откачиваемыми подземными водами, сточными водами спецпрачечных и душевых, жидкой фазой хвостов рудничной пульпы.

Основной источник облучения шахтеров - радон и его дочерние продукты, находящиеся в рудничном воздухе.

II. Разделение изотопов, обогащение урана. Изготовление тепловыделяющих элементов

Чистый уран не пригоден для использования на АЭС, т. к. 99,3% в нем составляет тяжелый нерасщепляемый U-238, а расщепляющийся U-235 - только 0,7%. Содержание U-235 должно быть доведено до 3%. Уран с помощью фтора превращают в газообразный гексафторид урана (UF₆). Затем изотопы разделяют с помощью нескольких способов - разделения на фильтрах, каскадной диффузии, центрифугирования газов.

Из обогащенного UF₆ получают диоксид урана, формуют его в брикеты, обычно называемые "таблетками", диаметром 1 см и толщиной 1,5 см. Сырые отпрессованные таблетки нагревают до 1700°С для достижения необходимой прочности и плотности и заряжают в оболочку топливного стержня из сплавов циркония и алюминия или графита высокой плотности. Топливный стержень - это трубка с сердечником, представляющим собой брикеты из обогащенного урана (U0₂). Топливные стержни называют тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами). Топливные стержни собирают в специальные пакеты, кассеты и блоки (т. н. сборки) с регулирующими стержнями и размещают затем в активной зоне реактора. В одной кассете реактора ВВЭР-440 - 126 ТВЭЛов, а всего в активной зоне такого реактора их более 40 тысяч.

III. Производство тепловой и электрической энергии на АЭС

На атомной электростанции энергию для превращения воды в пар получают путем расщепления ядер урана, плутония, тория в ядерном реакторе, являющемся устройством для выработки ядерной энергии. В нем проводят управляемую цепную реакцию, при которой допускается расщепление ровно такого количества Ядер, которое требуется для выработки электроэнергии.

Котел кипящего реактора служит также для нагревания воды. В нем находится активная зона реактора, через которую прокачивают воду.

Вода одновременно выполняет функцию замедлителя. При распаде каждого уранового ядра испускается от 2 до 3 нейтронов. Чтобы предотвратить распад излишнего числа ядер и выделение слишком большого количества энергии, обеспечить равномерность выработки энергии, применяются специальные вещества (кадмий, бор), которые поглощают нейтроны в нужном количестве.

Эти вещества помещают в регулирующие стержни, которые могут вводиться в активную зону реактора на требуемую глубину. Чем сильнее стержень выдвинут из активной зоны, тем меньше нейтронов он поглощает и тем больше распадов они вызывают. И наоборот: чем глубже регулирующий стержень введен, тем больше нейтронов поглощается и меньше энергии выделяется.

В настоящее время в мире существуют пять основных типов энергетических реакторов: водо-водяные реакторы с водой под давлением; водо-водяные кипящие, разработанные в США и наиболее распространенные в настоящее время; реакторы с газовым охлаждением, разработанные и применяющиеся в Великобритании и Франции; реакторы с тяжелой водой, принятые в Канаде; водо-графитные канальные реакторы, которые эксплуатировались только в СССР.

В нашей стране освоен реактор ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) - он двухконтурный. В качестве теплоносителя и замедлителя используется обессоленная обычная вода. Циркуляционными насосами она прокачивается через активную зону реактора под давлением 125 атм., отводит тепло от ТВЭЛов и переносит его в парогенератор, где образуется пар, направляемый в турбину.

Для обеспечения радиационной безопасности на атомных электростанциях существует система защиты, не позволяющая радиоактивным продуктам распада попасть в окружающую среду.

Она предусматривает:

размещение расщепляемых материалов в топливных таблетках;

герметичность оболочек топливных стержней, не позволяющая опасным продуктам выйти наружу;

наличие отражателя нейтронов, окружающего активную зону;

высокопрочный металлический толстостенный корпус реактора;

экранирование толстыми бетонными стенами всех сооружений, из которых может исходить радиационная опасность;

железобетонную ограждающую конструкцию толщиной более 1 м, которая не разрушится, даже если на нее упадет самолет.

Однако, несмотря на все предпринимаемые меры предосторожности, АЭС является источником образования радиоактивных отходов разной активности.

Газообразные отходы АЭС складываются из выбросов летучих веществ и аэрозолей. К радиоактивным летучим веществам относят тритий, радиоактивные изотопы ксенона, криптона, йода. Все остальные радионуклиды - осколки деления ядер, продукты активации и активные изотопы присутствуют в газовых выбросах в виде аэрозолей. Газовые выбросы в атмосферу предварительно очищаются от радионуклидов. При применении средств газоочистки активность газовых выбросов на АЭС оказывается ниже санитарных норм.

Объемы жидких отходов, образующихся на АЭС, могут достигать 100 тыс. м³/год на энергоблоке с реактором РБМК-1000 и 40 тыс. м³/год на энергоблоке с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000.

Объем твердых отходов ежегодно достигает на АЭС 2000-3000 м³. Основным видом твердых отходов является отработанное топливо. Ежегодно заменяют примерно 1/3 действующих ТВЭЛов новыми.

Как правило, большая часть твердых и жидких РО хранится в специально оборудованных станциях хранилищах.

Наличие радиоактивных отходов при работе АЭС требует установления определенных санитарно-гигиенических и экологических стандартов. Годовая эквивалентная доза для сотрудников АЭС составляет 4,4 МЗв. Для людей, проживающих в окрестностях станции, она равна примерно 0,02 МЗв/год.

Для сравнения: фоновое излучение составляет 2 МЗв/год, а доза, получаемая в среднем за год при рентгеновских обследованиях, достигает 0,5-1 МЗв.

Тепловое загрязнение проявляется в воздействии АЭС на поверхностные воды, что вызвано технологическими особенностями работы АЭС. В активной зоне ядерного реактора не только при работе на мощности, но и при полной остановке реактора выделяется огромное количество тепловой энергии. После остановки реактора идет процесс тепловыделения за счет продолжающегося радиоактивного распада продуктов деления в активной зоне (так называемое остаточное тепловыделение). Следовательно, активную зону нужно охлаждать во всех режимах эксплуатации, включая остановку АЭС.

Уровень расхода воды на атомных станциях в 1,5 раза выше, чем на ТЭС. Сбрасываемые воды являются условно чистыми, но приводят к увеличению температуры водоема, что вызывает увеличение скорости воспроизводства органического вещества. Прямоточная система охлаждения неэффективна, площадь водного зеркала должна составлять 120-180 км², что возможно лишь на крупных реках типа Волги. В связи с этим рассматриваются варианты создания систем охлаждения на водоемах-охладителях либо на градирнях. При сооружении водоемов-охладителей площади изымаемых земель возрастают в 6 раз. Для станции мощностью 6 ГВт изымается от 1000 до 3000 га земельных угодий.

Влияние водоемов-охладителей на окружающую территорию особенно сильно в зимнее время, когда они представляют незамерзающие или частично замерзающие акватории. Из-за большой разницы температуры воздуха и воды в водоеме образуются сильные туманы. Вблизи водоема увеличивается выпадение осадков в виде снега или изморози. Обмерзают линии высоковольтных передач.

IV. Переработка отработанного топлива

Примерно 10% использованного на АЭС ядерного топлива направляется на переработку для извлечения урана и плутония с целью повторного использования. Обогащение урана и производство плутония сосредоточены на радиохимических предприятиях специализированных городов. Технология регенерации топлива заключается в выделении радиоактивных отходов и пригодного для повторного использования топлива. Уран и плутоний после дополнительной обработки и очистки снова направляют на производство ТВЭЛов, а активные продукты распада готовят к захоронению. Свыше 99% продуктов деления попадает в высокоактивные отходы (10⁶-10¹³ Бк/л), поэтому радиохимические заводы относятся к наиболее опасным стадиям ЯТЦ. Наряду с высокоактивными отходами при регенерации отработавшего топлива образуются отходы среднего и низкого уровней активности.

V. Хранение, отработка и захоронение отходов

Отходы предприятий ядерного цикла характеризуются разным уровнем опасности, что соответствует технологиям их переработки и хранения. Меры безопасности повышаются в связи со степенью опасности отходов.

Отходы можно разделить на три группы:

- слабоактивные. К ним относятся лабораторные отходы, растворы, отходы от уборки, загрязненные фильтры и одежда. Слабоактивные отходы в твердой или жидкой форме концентрируют до минимального объема путем прессования, выпаривания, сжигания, затем помещают в емкости и цементируют.

- среднеактивные - прежде всего измельченная оболочка топливных стержней. Их также цементируют в специальных сосудах.

- высокоактивные - растворенные в азотной кислоте продукты распада, дающие 99% мощности радиоактивного излучения всех ядерных отходов.

Для высокоактивных отходов разработан метод остекловывания: их растворы концентрируют, подвергают химической обработке, плавят при t = 1150°С со стеклянным порошком и затем сливают в толстостенные емкости из нержавеющей стали.

При выборе места для могильника радиоактивных отходов должны оцениваться следующие факторы:

частота и интенсивность неотектонических движений, возможные землетрясения и их воздействие на водопроницаемость пород, гидрогеологический и гидрохимический режимы;

структурно-геологические особенности территории для выделения благоприятных по размерам и составу стабильных блоков;

гидрогеологический режим, а также состав подземных вод.

Кроме того, сам могильник должен иметь несколько защитных оболочек вокруг радиоактивных продуктов.

Захоронение твердых средне- и низкоактивных отходов возможно в приповерхностных хранилищах. Основное требование при их размещении - минимизация утечки радионуклидов. Серьезную опасность для приповерхностных хранилищ может представлять периодическое подтопление при сезонном колебании уровня грунтовых вод.

Захоронение жидких радиоактивных отходов в подземные горизонты возможно только при соблюдении следующих условий: пласт должен иметь пространственные параметры, обеспечивающие возможности закачки предполагаемых объемов отходов, он должен перекрываться и подстилаться водоупором, залегать на значительной глубине в зоне застойных вод или замедленного водообмена.

Хранилища и могильники ядерных отходов размещены по всей территории СНГ. Размещение многих из них, особенно в первые годы создания ЯТЦ, было произвольным, о месте нахождения некоторых нет точных данных. В настоящее время создана система "Радон", в состав которой входят спецкомбинаты и предприятия по захоронению радиоактивных отходов. Всего на территории СНГ создано 42 ПЗРО, из них 35 на территории России.

VI. Демонтаж АЭС

АЭС рассчитана примерно на 30 лет работы, после чего ее нужно демонтировать. Согласно основным положениям снятия АЭС с эксплуатации все технологии демонтажа должны приводить к "Зеленой площадке" - т. е. полной очистке территории для последующего неограниченного использования.

Размещение предприятий ЯТЦ на территории России и сопредельных государств.

Россия и страны СНГ располагают значительными запасами урановых руд - до 45% мировых разведанных запасов, около 2,2 млн. т. На долю России, Казахстана, Таджикистана приходится примерно по 30% запасов, Украины - 10%.

Наиболее известные и крупные месторождения - Табошар в Таджикистане, Учкудук в Узбекистане, урановые рудники с подземным выщелачиванием в Кзыл-Ординской области, рудники Прикаспийский, Целинный в Казахстане.

Центром добычи урана на Украине является месторождение Желтые Воды.

В России месторождения урановых руд находятся на Урале, в Забайкалье, Саянах, Северном Кавказе. Запасы колеблются от 6 до 100 тыс. т. Среднее содержание урана в рудах - 0,03-0,5%.

Среди предприятий ЯТЦ можно выделить несколько комплексов.

Южно-Уральский - включает все основные стадии ЯТЦ. Добыча и обогащение урановой руды осуществляются на Вишневогорском и Новогорском рудниках; обогащение урана -на установке, построенной в 1949 г. в г. Верхне-Нейвинск; радиохимический завод по переработке отработанного топлива - в г. Озерск (Челябинск-40); ПО "Маяк", которое занимается регенерацией отработанного ядерного топлива АЭС с реакторами ВВЭР-440, БН-350, БН-600, топлива атомного военно-морского флота и исследовательских реакторов.

Некоторые аспекты негатив. воздействия АЭС, работающей в безаварийном режиме, на окр. тер-рию.

1. АЭС явл-ся землеемким предприятием. Изъятие земель связано со строительством прудов-охладителей, поселков, санитарно-защитных зон. Большинство существующих, строящихся и проектируемых станций располагается на территориях с большим потенциальным плодородием и высоким уровнем продуктивности естественных и культурных биоценозов. К ним относятся Украина, Центрально-Черноземный, Северо-Кавказский, Поволжский экономические районы, отдельные области Центрального района. Доля пашни в структуре сельскохозяйственных угодий составляет здесь от 60 до 80% и более. Потеря ценных земель приводит к недополучению сельскохозяйственной продукции, необходимости вовлечения в сельское хозяйство земель более низкого качества, т. е. к большим хозяйственным потерям.

Большая часть построенных АЭС попадает в зону с дефицитом водных ресурсов, особенно станции Центрально-Черноземного, Поволжского районов, Украины. Дефицит водных ресурсов является лимитирующим фактором для наращивания единичной мощности и увеличения суммарной мощности энергоблоков. Значительные объемы безвозвратных водных потерь от АЭС, расположенных в бассейнах Черного и Каспийского морей, сокращают возможности использования этих ресурсов для окружающих территорий, уменьшают годовой сток в моря.

АЭС размещаются в регионе, где проживает 75% населения страны и где находятся районы с наиболее высокой плотностью населения (ЦЭР - 65,6; Северный Кавказ - 52,5; Украина - 84,2 чел/км²). Здесь не только имеется мощный промышленный и сельскохозяйственный потенциал, но и сложилась система историко-культурных, природных и ландшафтных ценностей.

Рост числа станций в ЕЧС приводит к существенному увеличению ядерных мощностей на единицу территории, что даже при функционировании станций в нормальном режиме может создавать острые ситуации, опасность для проживания населения.

4. АЭС, расположенные вблизи крупных промышленных центров, оказывают совместное, агломерационное воздействие на окружающую среду. Так, мощные выбросы тепла и влаги в атмосферу при размещении АЭС вблизи предприятий, выбрасывающих соединения S0₂ и NO_x, могут привести к увеличению приземной концентрации этих веществ и к выпадению кислотных осадков.

Гидроэлектростанции

Для гидроэнергетики страны характерна высокая степень концентрации мощностей. Для повышения эффективности гидроэнергетического строительства строятся каскады ГЭС. Гидроэлектростанции используют энергию падающей воды. В зависимости от конструктивных особенностей различают плотинные и деривационные ГЭС.

Плотинная станция представляет собой комплекс сооружений (гидроузел), из которых важнейшие: плотина, здание ГЭС, судоходные шлюзы. Плотина служит для подъема воды и создания нужного напора. Напор обеспечивается разностью уровня воды между верхним и нижним бьефами. Высота напора может колебаться от 25 до 75 м и выше. Низконапорные станции строят на равнинных реках.

При подъеме воды в верхнем бьефе происходит образование водохранилища. Его размеры, очертания зависят от высоты плотины и строения речной долины.

При перегораживании рек плотинами необходимо строительство рыбоходов или рыбоподъемников для прохода рыбы вверх и вниз по реке во время нереста. Строительство глухих плотин приводит к сокращению численности многих ценных видов рыб.

При строительстве ГЭС на горных реках для создания напора используется естественный уклон русла реки. В деривационных сооружениях водный поток отводят от основного русла к зданию ГЭС с помощью каналов, туннелей, труб.

Основу Российской гидроэнергетики составляют 40 гидроэлектростанций единичной мощностью 100 МВт и более. Наиболее мощными ГЭС в России являются: Саяно-Шушенская (6400 МВт) и Красноярская (6000 МВт) на р. Енисее; Братская (4500 МВт) и Усть-Илимская (3840 МВт) на р. Ангаре.

В Европейской части крупные ГЭС построены на р. Волге: Волгоградская - 2541 МВт, Волжская - 2300 МВт, Чебоксарская - 1370 МВт, Саратовская - 1360 МВт.

В отличие от выше рассмотренных типов станций, ГЭС не загрязняют ни воздушный, ни водный бассейны. Основной источник воздействия ГЭС на природу - создаваемые водохранилища с площадями зеркала в тысячи квадратных километров и объемом в десятки и сотни кубических километров. Изменяются ландшафты речных долин выше и ниже гидроузлов. Подпоры резко меняют гидрологические режимы рек, на большом протяжении вверх по течению речные условия меняются озерными. Снижается скорость течения, повышается частота возникновения ветровых волн, усиливается переработка берегов. Повышение уровня воды в реках влечет за собой подъем грунтовых вод на прибрежных территориях, заболачивание местности. Создание водохранилищ приводит к потере ценных сельскохозяйственных земель, лесов, месторождений полезных ископаемых.

Крупные гидроэнергетические сооружения в потенциале несут в себе опасность крупных катастроф. При аварийном разрушении плотины возникает так называемая волна прорыва, которая затапливает огромные территории и приносит большой материальный и экологический ущерб. Критерий остроты, масштабов последствий зависит от высоты волны прорыва, а также от времени добегания гребня волны прорыва.

Опасные ситуации в нижних бьефах поврежденных гидроузлов могут быть самыми разнообразными. Они зависят от крутизны берегов водохранилищ, геоморфологических особенностей долины, величины прорыва, времени года (половодье или межень) и т. д. Особенно большая потенциальная опасность существует для рек, на которых сооружены каскады гидроэлектростанций (Волга-11 ГЭС, Днепр-6 и т. д.). Тревожное положение с Саяно-Шушенской ГЭС. Паводки 1985 и 1988 годов привели к разрушению части скального основания и конструкции. Серьезные разрушения скального основания плотины и ошибочная технология ремонтов привели к нарушению пространственного положения плотины. Выводы ведущих институтов страны говорят о том, что в настоящее время Саяно-Шушенская ГЭС находится в аварийном состоянии, последствия при потере устойчивости плотины могут быть катастрофическими.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

К нетрадиционным возобновляемым источникам энергии (НВИЭ) относятся солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная энергия, энергия биомассы отходов, приливная и волновая энергия океана. Необходимость более активного использования этих источников объясняется следующими причинами:

Обеспеченность мировой энергетики основными видами топлива составляет по нефти 40 лет, природному газу -65, каменному углю - 150, бурому - 500 лет. Возможно увеличение потенциальных запасов этих видов топлива. Однако распределение топлива по территории крайне неравномерно, и обеспечение энергетической независимости ряда стран требует использования нетрадиционных источников энергии. Эта проблема важна и для России. Связано это с тем, что около 10 млн. населения живет на Севере Европейской части и в Сибири, на Дальнем Востоке. Значительная часть населения получает электроэнергию от автономных дизель-генераторов небольшой мощности. Топливо, как правило, завозится издалека и потому дорого.

Стоимость всех видов топлива будет возрастать, что связано с необходимостью обновления существующих предприятий топливного комплекса, вовлечением в эксплуатацию удаленных месторождений, с более сложными и дорогими способами добычи.

Использование традиционных источников энергии показало, что они наносят существенный ущерб окружающей среде. Для ее оздоровления необходимо применение более экологически чистых источников энергии. Дальнейшее развитие ядерной и гидроэнергетики связано с существенными экономическими затратами, удорожанием стоимости энергии, производимой на АЭС и ГЭС.

Основным недостатком НВИЭ является малая плотность потоков энергии, поэтому для получения сколько-нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площадей, что требует создания громоздких и дорогостоящих установок. Кроме того, солнце и ветер - источники энергии очень не постоянные во времени, что вызывает необходимость запасать, аккумулировать энергию. Солнечная энергия пригодна как для производства низкопотенциального тепла, так и для производства электроэнергии. В ряде стран, расположенных в низких широтах, солнечные коллекторы почти полностью покрывают потребности в горячей воде.

Солнечные станции нельзя считать абсолютно экологически чистыми. При преобразовании солнечной энергии в термальную к воде добавляют многочисленные ингибиторы коррозии (хроматы, нитриты, нитраты, сульфаты, сульфиты, фосфаты и т. д.).

Использование ветра - один из самых древних способов производства энергии. Ветровая энергия используется для производства механической или электрической энергии. Наиболее распространены ВЭУ мощностью 100-500 кВт при среднегодовой скорости ветра около 9 м/с и среднем числе часов работы на полной мощности 2500 ч/год. В России, в Дагестане, создан ветрополигон "Дубки", где проходят испытания ветроустановок различных типов. В предгорьях Полярного Урала, в 3 км восточнее Воркуты, создается ветроэлектростанция "Заполярная".

ВЭУ оказывают воздействие на окружающую среду, создавая дополнительные шумы и вибрации, а также электромагнитные излучения, способные вызвать теле- и радиопомехи, поэтому ветроэлектростанции должны быть окружены санитарной зоной, что требует отчуждения земель.

Геотермальная энергия, используемая для получения тепла или производства электроэнергии, представлена термальными водами или парогидротермами. Если температура геотермального носителя ниже100°С, его целесообразно использовать для теплоснабжения жилищ, теплиц, для бальнеологических целей. Высокотемпературные источники пригодны для производства электроэнергии.

Полуостров Камчатка и Курильские острова располагают значительными геотермальными ресурсами. Первая построенная геотермальная станция (Паужетская) имеет мощность 11 МВт. Есть проект создания группы новых станций: Верхне-Мутновской ГеоТЭС (мощностью 16 МВт), Мутновского геотермального комплекса мощностью 150 МВт; строительство теплоснабжающей системы мощностью 89 МВт на Паратунском геотермальном месторождении.

Биомасса отходов может быть использована в качестве энергоресурсов, она включает древесину, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственные и бытовые отходы. Энергетическое использование возможно путем сжигания, газификации, пиролиза, биохимической переработки с получением спиртов или биогаза. Примеры энергетического использования биомассы - производство этилового спирта из отходов сахарного тростника в Бразилии, электростанции, сжигающие отходы кукурузы в США, биогазовые установки, использующие навоз и другие сельскохозяйственные отходы.

Перспективно использование энергии приливов. Система плотин и водоемов во время прилива накопляет (аккумулирует) воду и направляет ее в гидравлические турбины, вращающие электрические генераторы. Первая ПЭС "Ране" была построена в 1966 г. во Франции. В России работает Кислогубская ПЭС мощностью 400 кВт. Россия располагает большими возможностями для строительства ПЭС. Приливная волна в заливах Охотского моря достигает 15-16 м и уступает лишь высоте прилива в заливе Фанди (Сев. Америка) - 18 м.. Основной трудностью внедрения в энергетику станций, использующих нетрадиционные источники энергии, являются в первую очередь высокие удельные капиталовложения и себестоимость 1 кВт/ч энергии.

Подземная добыча

Подземный (шахтный) способ разработки применяется преимущественно для месторождений полезных ископаемых, залегающих на больших (до 2000 и более метров) и средних (100-600 м) глубинах. В исключительных случаях, которые определяются технико-экономическими, экологическими показателями, особенностями заселения территории и т. д., подземная добыча может идти на малых глубинах - более 20 метров.

Подземный способ добычи широко распространен в угольной промышленности.

Наиболее ощутимым следствием шахтной добычи является проседание земной поверхности, вызванное выборкой угля из нижележащих толщ горных пород. Проседание поверхности приводит к заполнению понижений водой и образованию обширных просадочных озер.

Кроме того, чередование обрушившихся мелких шахт и невысоких бугров угольных отвалов делает территорию не пригодной для каких-либо видов хозяйственной деятельности.

Складируемые шахтные отходы образуют терриконы. Они слагаются горными породами, доставляемыми на поверхность при проходке шахтного ствола, и пустой породой, выделяемой на углеобогатительных фабриках. При начальном этапе работ на каждые 1000 м проходки вертикального ствола может образоваться около 150 тыс. м³ материала. Основной вред терриконов заключается в занятии территории и загрязнении атмосферы из-за их пыления и самовозгорания. Отвалы в терриконах укладываются недостаточно плотно, 30% их объема приходится на пустоты, а это создает опасность самовозгорания и обрушения. Наиболее удобный и эффективный способ ликвидации терриконов заключается в закладке пустой породы в отработанные подземные выработки. Закладка выработанного пространства активно стала применяться с начала 60-х годов. Для максимального удешевления закладочных работ используют отвалы, хвосты обогащения горных предприятий, отходы других отраслей промыш-ти (шлаки, золу).

В значительной степени те нарушения земель, которые образуются при подземной добыче угля, можно видеть и при добыче других видов ископаемых - железных руд, горючих сланцев, руд цветных металлов.

Основные экологические последствия нефтегазодобычи проявляются в нескольких направлениях:

Нарушение, загрязнение почвенного покрова строительными, шламовыми отходами, металлическими изделиями, технологическими и аварийными сбросами, химреагентами и буровыми растворами.

Загрязнение атмосферы выбросами попутного нефтяного газа, содержащего метан, углекислый газ.

Загрязнение поверхностных и подземных вод нефтепродуктами.

Гибель растительного покрова.

Снижение численности и видового разнообразия растений и животных.

Возможность возникновения аварийных ситуаций.

Аварии могут возникать в результате утечки нефти, взрывов, пожаров. Появление большого числа аварийных утечек связано с коррозией внутренней поверхности трубопроводов и емкостей.

Разработка нефтяных месторождений связана с поддержанием пластового давления. Для этого производят постоянное закачивание воды из наземных источников - рек, озер, морей. Суммарное количество извлекаемой из пласта жидкости непрерывно увеличивается, а нефти - снижается. Отделяемая от нефти попутная пластовая вода возвращается в качестве сточной воды в нефтяной пласт. Сточные воды коррозионно агрессивны из-за аэрации кислородом воздуха во время технологических операций и негерметичности системы утилизации.

Проседания земной поверхности могут прослеживаться при добыче нефти и природного газа, но, как правило, на месторождениях, расположенных близко к поверхности. Проседание вызвано падением внутреннего давления жидкости в зонах скопления нефти и газа, приводящим к осадке и уплотнению пород.

Открытые горные работы

К открытым работам относятся все виды добычи в карьерах, создаваемых на поверхности Земли. Открытые разработки оказывают наиболее существенное влияние на изменение и полную перестройку ландшафта. Масштабы этого влияния определяются концентрацией работ на территории и глубиной разрабатываемых карьеров. Неглубокие карьеры с маломощными залежами сырья (до 6 м) имеют небольшой объем вскрышных пород (пород, которые необходимо удалить, чтобы достичь залежи полезного ископаемого) и обычно не достигают уровня водоносного горизонта. Это карьеры по добыче песка, глины, гравия, торфа. Глубокие карьеры создаются на мощных залежах минерального сырья с глубиной залегания до 600 м. Наиболее экономически эффективна добыча до глубины 120-150 м.

Карьерный способ: добывается около 80% всех твердых полезных ископаемых. Он отличается большой производительностью, низким разубоживанием (до 5%) и невысокими потерями руды в недрах. Наиболее крупные разработки железных руд открытым способом у нас в стране находятся в Курской магнитной аномалии (КМА), каменного угля - в Кузбассе, бурого угля - в Канско-Ачинском бассейне. Самым глубоким в России является Коркинский разрез в Челябинской области (свыше 420 м).

Для открытой разработки характерна повышенная землеемкость за счет создания карьеров, отвалов, хвостохранилищ.

При открытой разработке идет полная перестройка ландшафтов:

1.существенно меняется рельеф: с одной стороны, мы видим громадные карьеры, с другой, - холмы, сложенные вскрышными породами, разнообразными по литологии и по возрасту;

2.изменяется водный баланс территории в связи с понижением уровня подземных вод; в радиусе от 15 до 25 км от карьера образуются воронки депрессии, где обезвоживание территории ощущается особенно остро;

3.происходит сильное запыление атмосферы в результате частых взрывных работ.

Кроме того, при открытых разработках полезных ископаемых изымаются из обращения ценные сельскохозяйственные земли. В районе добычи железных руд КМА, где сосредоточены богатейшие русские черноземы, это наносит особо сильный ущерб сельскому хозяйству. Однако, при разработках открытым способом можно снизить негативное влияние на природу. Это достигается путем использования вскрышных пород. Вскрышные и попутно извлекаемые породы при добыче полезных ископаемых содержат разнообразные компоненты, являющиеся ценным сырьем для промышленности строительных материалов. Мел может быть использован для производства белого цемента и воздушной строительной извести, а также в производстве минеральной ваты, стекла и резиновых изделий. Глинистые сланцы явл-ся хорошим сырьем для производства портландцемента.

Для снижения воздействия горных разработок на природный комплекс в последнее время большое внимание стало уделяться геотехнологии. При геотехнологических методах добычу ведут через скважины с помощью рабочего агента - теплоносителя, растворителя.

К геотехнологическим методам относят скважинную гидродобычу, подземную выплавку полезных ископаемых, подземную газификацию углей, выгонку сублимирующихся веществ и ряд других. Среди скважинных методов выделяют подземное выщелачивание (U, Pb, Zn, Си, Р и др.), подземное растворение солей (галит, сильвинит, бишофит и др.), скваженную гидродобычу.

К преимуществам скважинных методов можно отнести:

- протекание процесса извлечения полезных компонентов в недрах;

- работу геотехнологических систем в замкнутом циркуляционном цикле, исключающем негативные воздействия на среду.

При скважинном методе необходимо защищать водоносные горизонты от загрязнения, добиваться полноты извлечения полезных ископаемых.

Разновидностью геотехнологических методов являются методы технической микробиологии. Они основаны на способности ряда видов микроорганизмов в определенных условиях переводить некоторые минеральные соединения в растворимое состояние. Это так называемое подземное бактериальное выщелачивание, при нем происходит избирательное извлечение химических элементов из многокомпонентных соединений в процессе их растворения в водной среде микроорганизмами. В промыш-ти наиболее широко используют тионовые бактерии (и железобактерии), которые могут окислять двухвалентное железо до трехвалентного и воздействовать на сульфидные минералы.

В мировой практике метод бактериального выщелачивания используют для извлечения урана из руд. Перспективным направлением является создание подземных технологических горно-обогатительных комплексов. Они имеют ряд экологических и технологических преимуществ. При работе таких комплексов в едином производственном цикле концентрируется добыча и переработка минерального сырья, сокращается протяженность транспортных коммуникаций. Но главное - исчезают все негативные последствия влияния на среду, вызванные открытой разработкой.

Влияние горнодобывающей промышленности на природный комплекс особенно сильно сказывается в условиях Севера, где в настоящее время добывается значительная часть полезных ископаемых.

Освоение месторождений полезных ископаемых в районах многолетней мерзлоты может вызвать:

- нарушение поверхности рельефа, усиленное порубкой леса, изменением естественных ландшафтов в районах строительства карьеров, шахт и рудников;

- нарушение земной поверхности вследствие проседания кровли при подземных выработках и несоблюдении необходимого термического режима;

- таяние подземных льдов в зоне горных выработок (искусственный термокарст). Так, при разработке россыпных месторождений золота открытыми горными работами с помощью землеройных машин, драг происходит изменение температурного режима горных пород на границе с атмосферой и водоемами, активизируются термокарстовые процессы.

Бурение многочисленных глубоких скважин на нефть и газ приводит к формированию искусственных тепловых полей. При строительстве и обустройстве нефтяных и газовых промыслов происходит растепление мерзлых пород на территории промыслов и вдоль трасс нефтегазопроводов.

Черная металлургия

Основными материалами, используемыми для плавки, служат железные руды, коксующийся уголь, марганец, флюсы, железный лом. Различные виды железных руд отличаются по содержанию чистого железа: в магнитном железняке его до 70%, в красном железняке - 65%. Такие руды могут сразу идти в доменную печь. Руды с меньшим содержанием железа надо предварительно обогащать, удалив из них пустую породу. Этим путем получают концентрат с высоким содержанием железа. Черные металлы представляют собой сплавы железа и углерода, содержащие также кремний, марганец, фосфор, серу. Если содержание углерода в сплаве не превышает 2%, сплав называют сталью, от 2 до 6% - чугуном.

Технологический процесс металлургического производства представляет ряд последовательных стадий по получению чугуна, стали, проката. Для производства чугуна в доменных печах необходимо подготовить шихту-смесь, состоящую из определенного количества руды, топлива и флюсов. Для повышения эффективности доменного процесса проводят подготовку руды к плавке. Богатые железные руды подвергают дроблению и сортировке, бедные проходят обогащение, одним из способов которого является магнитное. Для повышения процентного содержания железа в бедных рудах применяют также высокотемпературный обжиг. Обогащение - необходимая операция в длинном процессе подготовки руды к доменной плавке. Оно позволяет снизить расход топлива в доменной печи, повышая содержание железа в шихте, загружаемой в печь. Повышает производительность доменной плавки также агломерация, процесс окатывания известью и связующим материалом в грануляторах с последующей сушкой и обжигом.