Реферат: Атомная энергия: за и против

В.Н. Ершов при участии Л.Ю. Аликберовой и Е.И.Хабаровой

Современная цивилизация немыслима без электрической энергии. Выработка и использование электричества увеличивается с каждым годом, но перед человечеством уже маячит призрак грядущего энергетического голода из-за истощения месторождений горючих ископаемых и все больших экологических потерь при получении электроэнергии.

Энергия, выделяющаяся в ядерных реакциях, в миллионы раз выше, чем та, которую дают обычные химические реакции (например, реакция горения), так что теплотворная способность ядерного топлива оказывается неизмеримо большей, чем обычного топлива. Использовать ядерное топливо для выработки электроэнергии -- чрезвычайно заманчивая идея.

Преимущества атомных электростанций (АЭС) перед тепловыми (ТЭЦ) и гидроэлектростанциями (ГЭС) очевидны: нет отходов, газовых выбросов, нет необходимости вести огромные объемы строительства, возводить плотины и хоронить плодородные земли на дне водохранилищ. Пожалуй, более экологичны, чем АЭС, только электростанции, использующие энергию солнечного излучения или ветра.

Но и ветряки, и гелиостанции пока маломощны и не могут обеспечить потребности людей в дешевой электроэнергии - а эта потребность все быстрее растет.

И все же целесообразность строительства и эксплуатации АЭС часто ставят под сомнение из-за вредного воздействия радиоактивных веществ на окружающую среду и человека.

Невидимый враг

Ответственность за естественную земную радиацию в основном несут три радиоактивных элемента -- уран, торий и актиний. Эти химические элементы нестабильны; распадаясь, они выделяют энергию или становятся источниками ионизирующего излучения. Как правило, при распаде образуется невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон. Он существует в виде двух изотопов: радон--222, член радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238, и радон-220 (называемый также торон), член радиоактивного ряда тория-232. Радон постоянно образуется в глубинах Земли, накапливается в горных породах, а затем постепенно по трещинам перемещается к поверхности Земли.

Облучение от радона человек очень часто получает, находясь у себя дома или на работе и не подозревая об опасности, -- в закрытом, непроветриваемом помещении, где повышена его концентрация этого газа -- источника радиации.

Радон проникает в дом из грунта -- сквозь трещины в фундаменте и через пол -- и накапливается в основном на нижних этажах жилых и производственных построек. Но известны и такие случаи, когда жилые дома и производственные корпуса возводят непосредственно на старых отвалах горнодобывающих предприятий, где радиоактивные элементы присутствуют в значительных количествах. Если в строительстве производстве применяют такие материалы как гранит, пемза, глинозем, фосфогипс, красный кирпич, кальциево-силикатный шлак, источником радоновой радиации становится материал стен.

Природный газ, используемый в газовых плитах (особенно сжиженный пропан в баллонах) -- тоже потенциальный источник радона. А если воду для бытовых нужд выкачивают из глубоко залегающих водяных пластов, насыщенных радоном, то высокая концентрация радона в воздухе даже при стирке белья!

Кстати, было установлено, что средняя концентрация радона в ванной комнате, как правило, в 40 раз выше, чем в жилых комнатах и в несколько раз выше, чем на кухне.

Радиация и человек

Радиоактивность и радиоактивный фон Земли - естественное явление природы, существовавшее задолго до появления человека. Человечество в процессе эволюции постоянно находилось под влиянием радиации. Поэтому все органы человека содержат какие-либо радиоактивные изотопы. Пока их количество не превышает безопасного предела, оснований для беспокойства нет. Но если уровень радиации повышается, живые организмы оказываются под угрозой.

Впервые испытали на себе действие повышенных доз радиации ученые, исследователи естественной радиоактивности -- Беккерель, Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри. Когда супруги Кюри в 1901 г. получили из урановой смоляной обманки первые крупицы радия, Анри Беккерелю предстояло выступить на конференции с докладом о свойствах радиоактивных веществ.

Желая продемонстрировать действие излучения радия на флуоресцирующем экране из сульфида цинка, он на время взял в лаборатории пробирку с несколькими кристаллами хлорида бария, содержащего примесь соли радия и целый день носил эту пробирку в кармане жилета. Демонстрация излучения прошла успешно, хотя Беккерель то и дело поворачивался к экрану спиной, и радиевые лучи должны были проникать к сульфиду цинка сквозь его тело. Но через 10 дней на коже Беккереля напротив жилетного кармана появилось красное пятно, а потом - долго не заживающая язва.

Пьер Кюри тоже успел убедиться в коварстве радия. Не подозревая о серьезной опасности, которой подвергается, он прикладывал ампулу с солью нового элемента к руке и получил глубокий ожог с омертвением тканей…

Видные ученые Мари Склодовская-Кюри, Маргерит Пере и многие другие страдали лучевой болезнью, которая стала профессиональным недугом всех радиохимиков. Однако систематическое изучение биологического действия радиации началось намного позже -- после взрывов атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки и многочисленных испытаний ядерного оружия.

Облучение: мина замедленного действия

Радиоактивные вещества (радионуклиды) могут попадать в организм через легкие при дыхании, вместе с пищей, или действовать на кожные покровы, так что облучение может быть как внешним, так и внутренним. Радиоактивные стронций и кальций накапливаются в костях, иод - в щитовидной железе, цезий и калий - практически во всех органах и тканях. Как ни странно, эффективность радионуклидов, попавших внутрь организма, в несколько раз меньше эффективности общего внешнего облучения (особенно в том случае, когда они испускают гамма-излучение).

Последствия облучения разнообразны и очень опасны. Наиболее сильное поражение радиацией вызывает лучевую болезнь, которая может привести к гибели человека. Это заболевание проявляется очень быстро - от нескольких минут до суток. Под действием радиации наступают изменения в составе крови: снижение количества лейкоцитов и тромбоцитов. Чем выше доза радиации, тем сильнее ухудшается состав крови больного и увеличивается вероятность смертельного исхода, который при сильном поражении наступает на 1-3 сутки. В этом случае для лечения необходима тяжелая операция -- пересадка костного мозга.

При относительно слабых дозах у облученного человека в последующие годы жизни могут развиться раковые заболевания, ускоренное старение. В результате радиационного поражения плода в утробе матери возникают различные уродства, умственная отсталость детей. Во втором, третьем и последующих поколениях могут появиться разнообразные генетические заболевания. Радиация может вызвать нарушения детородных функций мужчин и женщин, разрушение щитовидной железы, и другие вредные последствия для здоровья человека.

Последствия радиационного поражения могут проявиться через много лет после облучения. Радиация вызывает повреждения хромосом, однако прямых данных о радиационном влиянии на наследственные заболевания человека до сих пор не получено. Во-первых, пока еще мало известно, что именно происходит в генетическом аппарате. Во-вторых, эти эффекты можно оценить лишь на протяжении многих поколений. В-третьих, их невозможно отличить от тех, которые возникают совсем по другим причинам.

Несомненный вред радиации, особенно в высоких дозах, сегодня известен всем. Поэтому при проектировании, строительстве и эксплуатации атомных электростанций полагается уделять максимум внимания вопросам безопасности и экологическим проблемам. Если ситуация на АЭС не выходит из-под контроля, то их вредное влияние на здоровье людей сопоставимо с действием угольных электростанций или удобрений. Оно намного ниже, чем влияние природных источников излучения (таких как космические лучи, некоторые минералы и горные породы, применяемые в строительстве). Кстати, наибольшие дозы облучения человек получает… в поликлинике, при рентгенодиагностике.

Предусматриваются различные меры, направленные на то, чтобы радиоактивный "джинн" не вырвался на волю и не натворил беды. Тем не менее, из-за просчетов проектировщиков и конструкторов атомных реакторов, а порой - из-за роковых ошибок персонала атомных станций происходят аварии - большие и малые. Самая страшная из них произошла совсем недавно -- 26 апреля 1986 г. на Чернобыльской АЭС, расположенной близ границы Украины и Белоруссии.

Звезда по имени "Полынь"

26 апреля 1986 года на четвертом блоке Чернобыльской АЭС произошла авария, которая привела к разрушению активной зоны реактора и части здания, в котором он был расположен. Государственная комиссия провела расследование причин взрыва, и пришла к выводу: авария произошла во время эксперимента, к проведению которого персонал АЭС был не подготовлен. Включение оператором аварийной защиты реактора привело к взрыву…

Сейчас заключение госкомиссии подвергается сомнению, многие независимые эксперты усматривают в нем предвзятость и даже элементы фальсификации. Видимо, никто и никогда не узнает, почему реактор перешел в непредсказуемое состояние, при котором аварийная защита перестала гарантировать остановку ядерной реакции, и что именно заставило оператора нажать злополучную "красную кнопку". Результат - взрыв и пожар, расплавление и распыление радиоактивного "топлива", ужасные последствия для Украины, Белоруссии, соседних европейских стран.

"Третий Ангел вострубил, и упала с неба большая звезда, горящая подобно светильнику, и пала она на третью часть рек и на источники вод. Имя сей звезде "полынь"; и третья часть вод сделалась полынью, и многие из людей умерли от вод, потому что они стали горьки". Таковы строки из Откровения Иоанна Богослова -- "Апокалипсиса". Не о Чернобыльской ли катастрофе сказано в пророчестве? Ведь полынь по-украински -- чернобыль…

В результате чернобыльского взрыва в окружающее пространство было выброшено колоссальное количество радиоактивных веществ. Перемещение в атмосфере радиоактивного облака, осаждение радионуклидов с пылью и дождем, распространение почвенных и поверхностных вод, загрязненных радиоактивными изотопами, -- все это привело к облучению сотен тысяч человек на территории свыше 23 тыс. км2.

В самый момент взрыва погиб оператор ЧАЭС Валерий Ходемчук. Ночью 26 апреля он услышал низкий страшный гул в помещении главного циркуляционного насоса и поднялся туда выяснить обстановку. Через несколько минут обломки бетонных блоков стали его надгробием. Несколько десятков пожарных и специалистов - ликвидаторов аварии, работавших на расчистке территории разрушенного четвертого блока станции от обломков графита, радиоактивной пыли и кусков ядерного горючего, -- погибли от острой лучевой болезни. Еще несколько сотен человек были признаны больными острой лучевой болезнью.

С огромными трудностями был построен "саркофаг" - уникальное сооружение из бетона и стали, изолирующее взорвавшийся блок ЧАЭС от окружающей среды. Дезактивация зоны радиоактивного поражения продолжается по сей день, и этой работе не видно конца. Эта зона включает в себя два города (Чернобыль и Припять), около 80 брошенных сел с домами, фермами, мастерскими, сельскохозяйственной техникой. В зоне находятся 800 "могильников", где похоронены" автомобили, трактора, бульдозеры, экскаваторы и даже танки, набравшие такие дозы радиации, что их уже невозможно дезактивировать.

Люди, подвергшиеся облучению в результате Чернобыльской аварии, теряют здоровье и страдают от множества болезней, вызванных не только радиацией, но и психологическим шоком. Они нуждаются в помощи, но этому мешают многочисленные экономические проблемы, осложняющие жизнь теперь уже независимых Белоруссии, России и Украины, в наибольшей степени ощутивших на себе последствия Чернобыля.

Проблемы чернобыльского саркофага

"Саркофаг", возведенный над (точнее, вокруг) четвертого блока ЧАЭС, уже в 1991 г. выдержал серьезный экзамен на прочность - 3-х-балльное землетрясение. А сейчас стало ясно, что сооружение это вовсе не герметичное, на некоторых его участках радиация начинает выбираться наружу.

И все-таки 150 человек, которые постоянно работают здесь, не только укрепили полуразрушенное здание, но и изучили его "начинку" - выявили несколько критических зон, где то и дело возобновляется разогрев атомного горючего (а значит, идет цепная ядерная реакция).

Возведенный почти вслепую, одновременно с проектированием, в жесточайшей радиационной обстановке, "саркофаг" -- объект с официальным названием "Укрытие" -- страдает от множества бед. Одна из них - радиоактивная пыль.

Весной и летом печально знаменитого года аварии вертолетчики сбросили в жерло горящего реактора 1800 т песка и глины, 2400 т свинца, 800 т доломита, 40 т карбида бора. Все это смешалось с распыленным ядерным топливом и превратилось в радиоактивную пыль, которую полагается смывать водой. Но вода - это еще одна беда "Укрытия". В подвалах, машинном зале и других помещениях ее накопилось несколько тысяч кубометров. И это не просто вода, а концентрированный раствор радиоактивных солей, который может излиться наружу и затопить окрестности.

Самая главная беда "саркофага" и его загадка -- состояние атомного горючего. В момент аварии в реакторе находилось 205 т урана, проработавшего после загрузки всего 865 дней. Сколько осталось после взрыва и пожара, когда температура достигала 7 тыс. градусов? Сколько урана расплавилось, какая его доля унесена в виде радиоактивной пыли?

Вот те проблемы, которые предстоит решать специалистам, инженерам-физикам в ближайшие годы.

Атом выходит из-под контроля

Аварии на объектах атомной энергетики - самый больной вопрос эксплуатации АЭС. Однако несмотря на их тяжесть, в целом вероятность таких аварий невелика. С момента появления атомной энергетики произошло не более трех десятков аварий, и лишь в четырех случаях имел место выброс радиоактивных веществ в окружающую среду. Однако масштабы загрязнений, сопутствующих таким авариям, часто приобретают глобальный характер.

До Чернобыльской катастрофы все, что связано с применением атомной энергии (даже в мирных целях) было окружено завесой секретности. Неудивительно, что многие критические ситуации в этой области стали известны человечеству только через 30-40 лет, в 90-х годах XX века...

Вот только один из примеров этого ряда .

29 сентября 1957 года на комбинате "Маяк" вышла из строя система охлаждения бетонной емкости, где собирались жидкие отходы с высокой радиоактивностью. В результате произошел взрыв, и радиоактивные вещества попали в атмосферу. Они рассеялись и осели на территории Челябинской, Свердловской и Тюменской области. Длина радиоактивного следа достигла 200 км, ширина - 8-9 км. По счастливой случайности, след прошел по малонаселенной местности.

В последующие годы была проведена глубокая вспашка полей с захоронением загрязненной почвы на глубину более полуметра. Постепенно и очень медленно эти земли возвращаются в сельскохозяйственный оборот.

Воздействие этого выброса на здоровье людей оценить довольно трудно, поскольку в этих районах действуют многочисленные металлургические и химические предприятия, загрязняющие атмосферу оксидами серы.

Радиоактивный "мусор"

Даже если атомная электростанция работает идеально и без малейших сбоев, ее эксплуатация неизбежно ведет к накоплению радиоактивных веществ. Поэтому людям приходится решать очень серьезную проблему, имя которой -- безопасное хранение отходов.

Отходы любой отрасли промышленности при огромных масштабах производства энергии, различных изделий и материалов создают огромной проблемой. Загрязнение окружающей среды и атмосферы во многих районах нашей планеты внушает тревогу и опасения. Речь идет о возможности сохранения животного и растительного мира уже не в первозданном виде, а хотя бы в пределах минимальных экологических норм.

Радиоактивные отходы образуются почти на всех стадиях ядерного цикла. Они накапливаются в виде жидких, твердых и газообразных веществ с разным уровнем активности и концентрации. Большинство отходов являются низкоактивными: это вода, используемая для очистки газов и поверхностей реактора, перчатки и обувь, загрязненные инструменты и перегоревшие лампочки из радиоактивных помещений, отработавшее оборудование, пыль, газовые фильтры и многое другое.

Газы и загрязненную воду пропускают через специальные фильтры, пока они не достигнут чистоты атмосферного воздуха и питьевой воды. Ставшие радиоактивными фильтры перерабатывают вместе с твердыми отходами. Их смешивают с цементом и превращают в блоки или вместе с горячим битумом заливают в стальные емкости.

Труднее всего подготовить к долговременному хранению высокоактивные отходы. Лучше всего такой "мусор" превращать в стекло и керамику. Для этого отходы прокаливают и сплавляют с веществами, образующими стеклокерамическую массу. Рассчитано, что для растворения 1 мм поверхностного слоя такой массы в воде потребуется не менее 100 лет.

В отличие от многих химических отходов, опасность радиоактивных отходов со временем снижается. Бoльшая часть радиоактивных изотопов имеет период полураспада около 30 лет, поэтому уже через 300 лет они почти полностью исчезнут. Так что для окончательного удаления радиоактивных отходов необходимо строить такие долговременные хранилища, которые позволили бы надежно изолировать отходы от их проникновения в окружающую среду до полного распада радионуклидов. Такие хранилища называют могильниками.

Необходимо учитывать, что высокоактивные отходы долгое время выделяют значительное количество теплоты. Поэтому чаще всего их удаляют в глубинные зоны земной коры. Вокруг хранилища устанавливают контролируемую зону, в которой вводят ограничения на деятельность человека, в том числе бурение и добычу полезных ископаемых.

Предлагался еще один способ решения проблемы радиоактивных отходов - отправлять их в космос. Действительно, объем отходов невелик, поэтому их можно удалить на такие космические орбиты, которые не пересекаются с орбитой Земли, и навсегда избавиться радиоактивного загрязнения. Однако этот путь был отвергнут из-за опасности непредвиденного возвращения на Землю ракеты-носителя в случае возникновения каких-либо неполадок.

В некоторых странах серьезно рассматривается метод захоронения твердых радиоактивных отходов в глубинные воды океанов. Этот метод подкупает своей простотой и экономичностью. Однако такой способ вызывает серьезные возражения, основанные на коррозионных свойствах морской воды. Высказываются опасения, что коррозия достаточно быстро нарушит целостность контейнеров, и радиоактивные вещества попадут в воду, а морские течения разнесут активность по морским просторам.

Не только радиация

Эксплуатация АЭС сопровождается не только опасностью радиационного загрязнения, но и другими видами воздействия на окружающую среду. Основным является тепловое воздействие. Оно в полтора-два раза выше, чем от тепловых электростанций.

При работе АЭС возникает необходимость охлаждения отработанного водяного пара. Самым простым способом является охлаждение водой из реки, озера, моря или специально сооруженных бассейнов. Вода, нагретая на 5-15 °С, вновь возвращается в тот же источник. Но этот способ несет с собой опасность ухудшения экологической обстановки в водной среде в местах расположения АЭС.

Большее применение находит система водоснабжения с использованием градирен, в которых охлаждение воды происходит за счет ее частичного испарения и охлаждения. Небольшие потери пополняются постоянной подпиткой свежей водой. При такой системе охлаждения в атмосферу выбрасывается огромного количество водяного пара и капельной влаги. Это может привести к увеличению количества выпадающих осадков, частоты образования туманов, облачности.

В последние годы стали применять систему воздушного охлаждения водяного пара. В этом случае нет потерь воды, и она наиболее безвредна для окружающей среды. Однако такая система не работает при высокой средней температуре окружающего воздуха. Кроме того, себестоимость электроэнергии существенно возрастает.

Перспективы атомной энергетики

После неплохого старта наша страна отстала от передовых стран мира в области развития атомной энергетики по всем параметрам. Конечно, от ядерной энергетики можно вообще отказаться. Тем самым будет полностью устранена опасность облучения людей и угроза ядерных аварий. Но тогда для удовлетворения потребностей в энергии придется наращивать строительство ТЭЦ и ГЭС. А это неизбежно приведет к большому загрязнению атмосферы вредными веществами, к накоплению в атмосфере избыточного количества углекислого газа, изменению климата Земли и нарушению теплового баланса в масштабах всей планеты. Между тем призрак энергетического голода начинает реально угрожать человечеству.

Радиация - грозная и опасная сила, но при должном отношении с ней вполне можно работать. Характерно, что меньше всего боятся радиации те, кто постоянно имеет с ней дело и хорошо знает все связанные с ней опасности. В этом смысле интересно сравнить статистику и интуитивную оценку степени опасности различных факторов повседневной жизни. Так, установлено, что наибольшее число человеческих жизней уносят курение, алкоголь и автомобили. Между тем, по оценке людей из групп населения, различных по возрасту и образованию, наибольшую опасность жизни несут атомная энергетика и огнестрельное оружие (урон, приносимый человечеству курением и алкоголем, явно недооценивается).

Специалисты, которые могут наиболее квалифицированно оценить достоинства и возможности использования ядерной энергетики, считают, что человечеству уже не обойтись без энергии атома. Ядерная энергетика - один из наиболее перспективных путей утоления энергетического голода человечества в условиях энергетических проблем, связанных с использованием ископаемого горючего топлива.