3.1. Общие сведения об атомной энергетике, радиоактивности и воздействии АЭС на окружающую среду

Всего за сто лет атомная энергетика прошла путь от первых лабораторных экспериментов и установок (1890–1940 гг.) до строительства и эксплуатации крупных атомных электростанций (АЭС) различных типов и мощностей (с 1954 г. до настоящего времени).

На современных АЭС используются в основном четыре типа реакторов первого — третьего поколений:

• легководные реакторы (LWR) двух модификаций — корпусные с водой под давлением (PWR) и кипящие (BWR), а также разновидность LWR — водоохлаждаемые реакторы с графитовым замедлителем (LGR), которые используются преимущественно в России и странах бывшего соцлагеря;
• тяжеловодные реакторы (HWR), в основном типа CANDU (Canadian D 2 О Uranium);
• газоохлаждаемые реакторы на природном (MAGNOX) или обогащенном уране (AGR — Advanced Gascooled Reactor);
• реакторы на быстрых нейтронах типа БН, которые используются в России.

Сейчас в мире наибольшая доля электроэнергии вырабатывается на АЭС с легководными реакторами, мощность которых превышает 1300 ГВт (эл.).

Атомная энергетика в процессе развития на практике доказывала свои преимущества и экономическую эффективность. С 1960 по 2008 год в мире было построено более 540 ядерных реакторов на АЭС (около 100 реакторов по разным причинам были закрыты). Эксплуатация ядерных реакторов в мире обеспечивается работой 250 заводов ядерного топливного цикла. В процессе реализации ядерных программ для научных целей был построен 651 исследовательский ядерный реактор, из которых ныне работают 284, в том числе в Украине – 2.

На начальном этапе (1945–1960 гг.) атомная энергетика развивалась в постоянном противостоянии с программами военнопромышленного комплекса. В те годы это были первые реакторы на АЭС с относительно высоким уровнем аварийности по технологическим параметрам c недостаточными требованиями к ядерной и радиационной безопасности, в том числе из-за несовершенства нормативной базы.

В дальнейшем совершенствование технологии и повышение безопасности обеспечили возможность строительства мощных АЭС на фоне уменьшающихся природных запасов органических энергетических ресурсов (угля, нефти и газа) и во второй половине ХХ в. атомная энергетика стала новой многообещающей энергетической альтернативой традиционным источникам энергии. Так, по запасам энергии, содержащейся в разведанных залежах урана, они более чем в 20 раз превышают разведанные запасы нефти, газа и каменного угля. Запасы урана, который можно добыть по современной технологии и при умеренных ценах, оценивают в 10 8 тонн. В связи с этим уран рассматривается как очень перспективный вид топлива, так как 1 кг природного урана заменяет около 20 т угля.

Период 1970–1980 гг. характеризуется интенсивным строительством АЭС с ядерными реакторами первого поколения. Несмотря на жесточайшую конкуренцию с энергетическими компаниями, эксплуатирующими тепловые электростанции, средний прирост мощностей ядерных реакторов на АЭС составлял примерно 25% в год.

В 1980–1990 гг. прирост мощностей новых ядерных реакторов на АЭС снижается до 6% в год. В этот период появляются реакторы второго поколения. Однако против развития атомной энергетики все активнее протестуют представители «зеленого» движения и «антиглобалисты». Их деятельность особенно резко активизировалась после Чернобыльской катастрофы.

В 1990–2000 гг. в результате Чернобыльской катастрофы в мире резко сокращается строительство новых блоков АЭС, а в большинстве стран вообще был объявлен мораторий на их строительство. Однако предпринятые серьезные усилия по обеспечению безопасности эксплуатируемых АЭС позволили в начале XXI ст. в значительной мере восстановить доверие общества к атомной энергетике.

Вместе с тем необходимо констатировать, что в практике эксплуатации энергетических и промышленных объектов не существует технических систем со стопроцентной надежностью и у каждой из них есть своя доля риска. Анализ риска в виде возможных отрицательных последствий требует учета и соизмеримости с ним пользы, которую приносит тот или иной процесс хозяйственной деятельности. Все познается в сравнении, поэтому мы можем оценить лишь сравнительную безопасность какой-либо деятельности по отношению к другим видам, принятым обществом.

Поэтому, как любой крупный энергетический или промышленный комплекс, АЭС и другие объекты инфраструктуры ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) при их эксплуатации выступают источниками определенного техногенного влияния на природную среду и системы жизнедеятельности человека.

В технологических схемах АЭС тепло, подаваемое на турбины, образуется в результате ядерного деления. С этим технологическим процессом связан ряд существенных преимуществ АЭС по сравнению с тепловыми станциями:

• для производства одинакового количества энергии требуется в несколько тысяч раз меньше ядерного топлива, чем угля для ТЭС;
• значительно упрощается доставка топлива;
• период работы АЭС при разовой загрузке ядерного топлива намного более длительный (от года и более), чем для ТЭС;
• при нормальной эксплуатации АЭС намного безопаснее ТЭС по выбросам химических и радиоактивных загрязнителей;
• отсутствует выброс «парниковых» газов в окружающую среду.

На современном этапе развития общества уже практически всем стало очевидно, что «экологически чистых» или «абсолютно безопасных» энергетических технологий быть не может. Использование каждой из них для выработки электроэнергии неизбежно сопровождается тем или иным видом отрицательных воздействий. Так, при строительстве и эксплуатации АЭС и ТЭС, которые вырабатывают базисную электроэнергию, в большей или меньшей степени существуют негативные воздействия на окружающую среду, такие как:

• химическое, тепловое и радиоактивное загрязнение окружающей природной среды (атмосферного воздуха, водных и земельных ресурсов, объектов биосферы);
• шумовое и электромагнитное воздействие на обслуживающий персонал;
• изъятие земельных ресурсов под энергетическое строительство;
• использование водных ресурсов для производственных нужд;
• активизация экзогенных геодинамических процессов в системе «объект энергетики – геологическая среда».

Рис. 3.1. Концептуальная схема функционирования динамической системы «АЭС– окружающая природная среда» (стрелки указывают направления связей между подсистемами)

Общие особенности воздействия АЭС (объектов ЯТЦ) на природную среду наглядно можно представить концептуальной логикоинформационной моделью взаимодействий в системе «АЭС – природная среда» (рис. 3.1).

Представленная на рис. 3.1 система отражает направленность природных и техногенных процессов воздействий в системе «АЭС – окружающая природная среда», от которых зависят общая безопасность эксплуатации объекта, геодинамическая устойчивость его технологических сооружений и экологическое состояние окружающей среды в зоне влияния объекта.

В 60–70-х годах прошлого столетия энергоблоки АЭС имели незначительную мощность и количество их на одной площадке составляло не более трех. Удельные капиталовложения К АЭ С на реализацию проектов АЭС с реакторами ВWR и PWR (ВВЭР) первого поколения в разных странах мира обычно не превышали 600 долларов США на 1 кВт установленной мощности.

Увеличение мощности АЭС до 4–6 блоков приводит к изъятию под эти объекты значительных территорий. Эксплуатация таких АЭС нуждается в большом количестве водных ресурсов. В зонах влияния мощных АЭС возникает потенциальная техногенная нагрузка (тепловая, химическая и радиационная) на окружающую среду, возможна активизация некоторых опасных геодинамических процессов, которые могут снижать уровень общей и радиационной безопасности и приводить к различным опасным ситуациям. Схематично виды взаимодействий, которые могут возникать в системе «АЭС – окружающая среда», представлены на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Принципиальная схема воздействий в системе «АЭС – окружающая среда»

Следует отметить, что в значительной степени эти взаимодействия характерны и для тепловой энергетики, использующей органическое топливо.

На схеме наглядно представлены основные группы опасных геологических и инженерно-геологических процессов (явлений). Проявление этих процессов непосредствен

но в зонах расположения АЭС нужно рассматривать как фактор риска, который обуславливает возможные изменения в геологической среде, гидросфере, атмосфере и биосфере. Стрелки указывают, с одной стороны, на возможность отрицательных влияний объектов инфраструктуры АЭС на развитие (активизацию) того или иного геодинамического процесса (явления), с другой стороны, определяют характер опасных возможных влияний естественных процессов на инженерную устойчивость сооружений АЭС (пунктирные стрелки – незначительное влияние, сплошные – возможные значительные отрицательные влияния).

Знак «+» указывает, что процесс может проявляться в пределах площадки размещения АЭС. Однако такой процесс должен быть подконтрольным на весь период эксплуатации АЭС, а для случаев его возможной активизации должны разрабатываться защитные мероприятия. Знак «–» указывает, что проявление процесса в пределах площадки АЭС недопустимо, так как он является фактором повышенного риска для функционирования сооружений АЭС (реакторное отделение, плотина водоема-охладителя, хранилище радиоактивных отходов и др.). Соответствующими стрелками на схеме также указано влияние основных внешних факторов опасностей – падения самолета, катастрофических атмосферных явлений и др.

Для минимизации отрицательного влияния приведенных на рис 3.2 процессов на окружающую среду и уменьшения его до допустимых параметров, обеспечения безопасности АЭС требуются дополнительные затраты на соответствующие защитные мероприятия. Также необходим постоянный контроль над этими процессами в виде комплексного радиоэкологического мониторинга.

Необходимость постоянного совершенствования систем ядерного, радиационного и экологического контроля и систем общей безопасности, а также рост стоимости оборудования и материалов привели к тому, что со временем стали увеличиваться удельные капвложения К АЭ С в строительство АЭС, которые в настоящее время составляют 3000–4000 дол./кВт. Значительная часть дополнительных средств используется на внедрение более совершенных систем безопасности АЭС, в том числе на защиту окружающей среды для штатных и аварийных условий эксплуатации этих объектов.

Тепловое загрязнение является одним из серьезных негативных факторов воздействия на окружающую среду при функционировании АЭС. При к.п.д. современных АЭС 33–35% порядка 65% тепловой энергии попадает в окружающую среду. В технологических схемах АЭС мощными открытыми источниками тепла являются градирни, водоемы-охладители (рис. 3.3), брызгальные бассейны. Их эксплуатация, как правило, приводит к измениям микроклиматических характеристик, вызывает тепловое загрязнение водоемов, влияет на процессы жизнедеятельности флоры и фауны прилегающих к АЭС экосистем.

Рис. 3.4. Общий вид промплощадки Запорожской АЭС (Украина)

Рис. 3.3. Общий вид охладительных систем: градирни и водоем7охладитель

В качестве примера приведем данные о тепловом влиянии на окружающую среду Запорожской АЭС (ЗАЭС) – самой крупной по электрической мощности (6000 МВт) станции в Европе (рис. 3.4).

Изменение отдельных характеристик микроклимата, локализующихся преимущественно в пределах санитарной защитной зоны ЗАЭС, связано с поступлением в пограничный слой атмосферы значительного количество тепла и влаги, что обусловлено функционированием комплексной системы охлаждения, в состав которой входят водоем-охладитель, брызгальные бассейны, башенные градирни-охладители.

Тепловое влияние водоема-охладителя на атмосферу по данным мониторинга фиксируется в течение всего года, достигая высот 250–300 м и более, прослеживаясь на расстоянии до 10 км. В теплый период года влияние водоема на изменение температур воздуха незначительно: в малооблачную погоду на удалениях до 100–200 м отмечается повышение температуры на 1,6°С, в пасмурную – на 1,1°С. В холодный период года при достаточно высокой влажности воздуха над водоемом образуются туманы – парения, распространяющиеся на побережье, – в отдельные дни на расстояние 2,0–2,5 км от береговой линии. При этом зона ухудшенной видимости (менее 1 км) может отмечаться на удалениях до 5 км. В зоне туманов наблюдается повышенная влажность воздуха, прекращается инсоляция, возникают гололедно-изморозные явления, повышается интенсивность коррозионных процессов металлических и бетонных конструкций.

Влияние брызгальных устройств на температуру воздуха максимально в холодный период: в ближайшей стометровой зоне температура воздуха повышается в среднем на 2,0–3,0°С; на расстояниях 1–2 км – на 2,5–1,0°С. При этом относительная влажность воздуха повышается соответственно на 8–10 и 4–5%.

Охлаждение воды с помощью 2-башенных испарительных градирен приводит к потере воды летом на 15%, зимой на 1,3%. Последствиями выброса тепла и влаги градирнями-охладителями являются:

• формирование пароконденсатных факелов, распространяющихся в холодный период года на расстояния до 2–3 км и более при устойчиво-стратификационной атмосфере, а также до 0,5–0,7 км в летний период;
• «затемнение» подстилающей поверхности и снижение в связи с этим на 30–50% прихода прямой солнечной радиации в ближней к факелам зоне;
• снижение дальности метеорологической видимости в экстремальных условиях до 2–4 км, а при «застойных» явлениях в холодный период года – менее 0,5 км.

Системы охлаждения ЗАЭС также воздействуют на гидрохимический и экологический режим прилегающих к площадке водоемов. Так, вода из брызгальных устройств, градирен и водоема-охладителя постоянно испаряется, а соли остаются в водоеме-охладителе. Это приводит к увеличению жесткости воды, используемой для охлаждения, что негативно влияет на работу оборудования и требует принятия специальных технологических мероприятий. Поэтому для сохранения солевого баланса часть воды из водоема-охладителя постоянно сбрасывается и замещается свежей днепровской водой. Процесс замещения воды в водоеме-охладителе называется «продувкой». Расход продувки изменяется в зависимости от времени года от 6 до 20 м 3 /с.

При осуществлении плановых режимов продувки водоема-охладителя ЗАЭС распространение ореолов «теплового пятна» в акватории Каховского водохранилища с превышением температур на 3°С фиксировалось на удалении до 300–500 м от водовыпуска, что соответствует требованиям Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами, согласно которым температура воды в водоемах не должна повышаться по сравнению с естественной температурой более чем на 5°С, с общим повышением не более чем до 28°С летом и 8°С зимой.

Продувка водоема-охладителя ЗАЭС согласно технологическому регламенту осуществляется в течение 9 месяцев в году, кроме периода нереста рыбы в Каховском водохранилище с апреля по июнь, когда перегретые воды, поступающие со сбросного канала ЗАЭС, полностью локализуются в водоеме-охладителе.

Процесс продувки и качественный состав сбрасываемой из водоема-охладителя ЗАЭС воды, поступающей в Каховское водохранилище, постоянно контролируются комплексным экологическим мониторингом, а также организациями системы Минприроды, Минздрава и Комитета по водному хозяйству.
 

Рис. 3.5. Схема функционирования системы «АЭС – окружающая среда» по ресурсам потребления и результатам производственной деятельности (выходы из системы с обратной связью к ресурсной составляющей): ОЯТ – отработанное ядерное топливо; РАО – радиоактивные отходы

Брызгальные устройства Хмельницкой АЭС

Атомная энергетика в сравнении с тепловой оказывает значительно меньшее химическое воздействие на окружающую среду, а также требует меньшего количества ряда природных ресурсов. Особенности функционирования АЭС в аспекте ресурсов потребления и результатов производственной деятельности представлены на рис. 3.5.

Так, АЭС мощностью 1 млн. кВт с реактором типа ВВЭР за год сжигает примерно 1 т урана, при этом образуется примерно такое же количество отходов. На ТЭС такой же мощности, работающей на угле, отходы в 4–5 раз превышают массу использованного топлива, включая большое количество многих других вредных для организма человека веществ, в том числе радиоактивных.

Выбросы СО 2 и других вредных веществ в районах крупных ТЭС входят в структуру дождевых облаков, которые, переносясь на значительные расстояния, формируют кислотные осадки (кислотные дожди) с рН ≤ 4,5 – 6,5.

На современном этапе во всем мире атомная энергетика позволяет уменьшить выброс углекислого газа на 3,4 млрд. тонн в год. Лидером в этом отношении являются страны Европы, где действующие АЭС позволяют предотвратить выброс 1,23 млрд. тонн углекислого газа ежегодно. Далее идут: США 900 млн. тонн; Япония – 440 млн. тонн; Россия – 210 млн. тонн; Южная Корея и Украина – 160 млн. тонн углекислого газа. При этом важно отметить, что рыночная стоимость квоты на выброс 1 млн. тонн углекислого газа в настоящее время составляет от 20 до 45 млн. евро. При этом удельная стоимость сокращения выброса 1 млн. тонн углекислого газа в развитых странах оценивается на уровне 100–150 млн. евро.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС практически не потребляют кислорода и имеют ничтожное количество выбросов.

По имеющимся оценкам, при работе ТЭС на угле за один и тот же период времени с газоаэрозольными выбросами в атмосферный воздух попадает в 50–100 раз больше активности природных радионуклидов, чем при работе АЭС той же мощности в штатном режиме эксплуатации.

Для большинства АЭС основным водным объектом, обеспечивающим охлаждение систем производственного цикла АЭС, являются станционные водоемы-охладители. Химический состав этих вод зависит преимущественно от режимов продувки и количества химических веществ, которые поступают в них за счет подпитки. Что касается охлаждающей воды АЭС при продувке, то в силу технологической специфики работы они сколько-нибудь заметного вклада в химическое загрязнение природной среды не вносят.

Отсюда становится очевидным, что по ряду показателей отрицательного воздействия на окружающую среду атомная энергетика при нормальном (штатном) режиме эксплуатации АЭС намного более благоприятна, чем традиционная тепловая энергетика. При этом радиационное воздействие АЭС сопоставимо с естественным радиационным фоном. Однако в случаях возникновения аварийных ситуаций АЭС несут достаточно высокую степень риска, обусловленного в первую очередь радиационной опасностью. Потенциальный риск является характерной особенностью и других составляющих ядерного топливного цикла (производство и обогащение ядерного топлива, хранение и захоронение радиоактивных отходов вне АЭС, обращение с отработавшим ядерным топливом вне АЭС).

Основными причинами технологического риска атомной энергетики являются:

• аварийные ситуации при хранении высокоактивных ядерных отходов;
• потенциально возможные технологические аварии ядерных реакторов и систем обеспечения их работы, включая связанные с человеческим фактором;
• потенциально возможные аварии на заводах по переработке облученного топлива;
• ядерный терроризм и др.

Необходимо отметить, что в атомной энергетике в проектах и при эксплуатации реализуется комплекс технических и организационных мероприятий, обеспечивающих предотвращение аварий и их развития в случае возникновения, преодоление или минимизацию их последствий.

В качестве допустимого значения индивидуального риска от той или иной деятельности для населения, согласно ряду международных и национальных требований, принято значение риска гибели людей 1·10 - 6 в год. Такой риск обычно не вызывает возражений у общества и соответствует риску гибели от стихийных бедствий. В нормативных документах, регламентирующих безопасность, значение риска для населения, который оценивается как «пренебрежимо малый», принимается 5·10 - 7 в год, что ниже рекомендованного значения риска. При оценке указанного риска учитываются факторы, связанные с надежностью действий людей. С точки зрения технических мероприятий, предотвращающих ошибочные действия персонала и их последствия, при проектировании и эксплуатации АЭС особое внимание уделяется культуре безопасности, системе подготовки и тренировки персонала на тренажерах.

Учитывая потенциальную опасность терроризма, объекты атомной энергетики оснащаются комплексом специальных мер физической защиты и специальных мер, реализуемых соответствующими государственными структурами.

Проблемы развития атомной энергетики сегодня волнуют общество. Вокруг атомных электростанций, являющихся потенциальным источником радиоактивного облучения, ведутся наиболее интенсивные споры. Сегодня с термином «радиоактивность» связано множество инсинуаций. У многих людей понятие «радиоактивность» ошибочно связывается преимущественно с эксплуатацией АЭС и отдельными производственными процессами предприятий ЯТЦ.

Вместе с тем радиоактивность абсолютно естественное явление для природы и человека. Она существовала на всех этапах развития природы, являясь обязательной компонентой естественной среды обитания человека при условии, что уровни радиации сохраняются в природных пределах варьирования. В тканях человеческого тела всегда присутствует определенное количество радиоактивных веществ. Наиболее распространенными источниками природной радиации являются калий (40 К) и рубидий (87 Rb), причем не существует способа от них избавиться.

Из всех природных радионуклидов наибольшую опасность для здоровья человека представляют продукты распада природного урана и тория – изотопы радия и радиоактивный газ радон.

Отрицательное восприятие атомной энергетики резко обострилось после ряда

крупных аварий на АЭС, в особенности после Чернобыльской катастрофы в 1986 г. Во многих странах мира пересматривались и повсеместно сокращались ядерные исследовательские программы, стали закрываться еще надежно работающие ядерные реакторы, а в ряде случаев было приостановлено и заморожено строительство новых блоков АЭС. Так, в Украине с 1991 по 2000 г. также был объявлен мораторий на строительство новых блоков АЭС, было заморожено строительство блоков Ровенской АЭС № 4 и Хмельницкой АЭС № 2.

Однако в начале ХХІ века доверие общества к атомной энергетике было восстановлено и под влиянием ряда объективных

экономических и энергетических факторов она выходит на новый виток своего развития, вступив в период, получивший условное название «периода ядерного ренессанса». В настоящее время на долю АЭС приходится 16% мирового производства электроэнергии. По данным МАГАТЭ, 70 стран намереваются расширить использование атомной энергии.

Ниже в более углубленной форме освещаются наиболее важные проблемы воздействия атомной энергетики на окружающую среду, связанные непосредственно с проблемами радиоактивности, а также для лучшего осмысления материала приводятся базовые понятия ядерной физики и дозиметрии.

Блок № 4 Ровенской АЭС