Воздействие на окружающую среду радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И ОТРАБОТАВШЕГО 

ЯДЕРНОГО  ТОПЛИВА 

     Перенос и накопление радионуклидов  в окружающей среде. 

     В радиационной экологии для оценки воздействий  на наземные и водные экосистемы антропогенных радионуклидов наибольшее употребление получили вначале коэффициенты накопления К — отношения концентраций радионуклида в каком-либо объекте, например в водном растении, и в среде, в которой этот объект находится, в нашем случае — в воде. Для пресноводных растений значения А' находятся в диапазоне 10¹— 10⁵. Затем стали использовать и такие понятия, как «коэффициенты распределения и подвижности радионуклидов»; «коэффициенты задерживания» и «коэффициенты дискриминации радионуклидов относительно их макроаналогов».

     В 1980-е гг. широкое распространение  получили различные математические модели, позволяющие оценить радиологическое  воздействие эмиссии радионуклидов в результате того или иного события. В таких моделях перенос радионуклидов от места эмиссии к человеку (или к растению или животному) описывается как цепочка переносов, происходящих между камерами, представляющими различные среды или трофические уровни в окружающей среде. Например, это может быть перенос радионуклидов через камеры «атмосфера» и «пастбище» в камеру «молоко». Используемые в подобных моделях коэффициенты представляют собой отношения концентраций радионуклидов в двух камерах в условиях равновесия.

     Все поллютанты, попав в природную  среду, переносятся в атмосфере, гидросфере или мигрируют в почве, постепенно рассеиваясь. При этом за счет рассеяния происходит уменьшение их концентрации. Однако процесс рассеяния всегда вызывал и будет вызывать у экологов пристальное внимание, так как одновременно может происходить и концентрация поллютантов. Это возможно как за счет процессов в неорганической среде, например за счет концентрирования поллютантов на геохимических барьерах так и за счет их накопления в трофических цепях, т.е. за счет биологических процессов. Вначале первичные продуценты могут «собирать» поллютанты, рассеянные в окружающей среде. Затем, накопив поллютанты, они будут служить пищей другим организмам. В результате хищники, находящиеся в самом конце пищевой цепи, могут оказаться наиболее загрязненными.

     В классической экологии такие процессы отслеживаются с помощью биоиндикаторов, так как биологическая среда может быть очень чувствительной к накоплению биологически значимых радионуклидов. Процесс, посредством которого организмы поглощают радионуклиды, называется биоаккумулированием. Этот процесс часто рассматривают как ассимиляцию поллютантов перед их дальнейшим движением по трофическим цепям. Среди наиболее известных биоиндикаторов радионуклидов можно выделить: для морских экосистем — бурые водоросли (фукус пузырчатый) и бентосные беспозвоночные (в первую очередь мидии); для наземных экосистем — северный олень, лишайники, мхи, грибы и т.д.

     В радиоэкологии впервые к проблеме переноса радионуклидов пристальное  внимание было привлечено в связи  с необходимостью оценить экологические последствия, связанные с испытаниями яДерного оружия в открытых средах. Было очевидно, что ожидаемые дозы внешнего облучения должны быть пропорциональны количеству радионуклидов, попавших в окружающую среду. Одновременно, дозы от внутреннего облучения должны определяться и химическими свойствами радионуклидов. Поэтому метод оценки включает в себя анализ всей цепи событий от момента поступления радиоактивных веществ, например в атмосферу, до последующего облучения тканей. Возможная цепь событий схематически представлена на рис. 9.1. В радиационной экологии при изучении последствий эмиссии особо выделяются ситуации, которые возникали после ядерных взрывов или в результате крупных аварий, подобных аварии на Чернобыльской АЭС. Здесь радионуклиды распространяются в атмосфере так, что происходит глобальное загрязнение.

     Существенную  роль в пероральном поступлении  радионуклидов для человека играет потребление молока, яиц, мяса и рыбы. Заметим, что здесь в зависимости от химических свойств радионуклида и видов организмов возможно как обогащение, так и ослабление поступления радионуклидов по сравнению с более низким уровнем трофических цепей. Особо важным для человека является поступление ⁹⁰Sr, ^13II и ¹³⁷Cs с молоком. Эти радионуклиды в отличие от трансурановых элементов очень интенсивно переносятся именно таким образом.

     В результате осаждения радионуклидов  рыбы и ракообразные получают их как  непосредственно из воды, так и  с пищей. Такие радионуклиды, как  изотопы полония, не представляющие заметной опасности в наземных трофических цепях, теперь начинают играть заметную роль, так как они концентрируются в ракообразных, а полоний — в рыбе и морепродуктах. Известно, что значительная часть улова используется в качестве корма для свиней, птицы и при промышленном производстве рыбы. Таким образом, происходит пересечение водных и наземных трофических цепей.

     Существенное  влияние на величину внутреннего  облучения оказывает способ приготовления  пищи. Высушивание продуктов приводит к увеличению в них удельной активности в ~ 5 раз по сравнению со свежими продуктами. Варка мяса и особенно грибов существенно уменьшают содержание в них радионуклидов. Содержание радионуклидов в овощах и фруктах также значительно зависит от мойки, очистки и приготовления. Помол зерновых приводит к значительному уменьшению содержания радионуклидов в муке и соответствующему возрастанию в отрубях.

     Специально  следует сказать о потреблении  так называемых даров природы, т.е. грибов, ягод, орехов, дичи и рыбы. Особое внимание к этой проблеме было привлечено после Чернобыльской аварии, когда в сельских районах произошло заметное возрастание дозовой нагрузки на население после того, как в эти районы

     Несмотря  на большое разнообразие трофических  цепей, путей осаждения и различий в химических свойствах радионуклидов, в настоящее время успешно  работают программы, позволяющие рассчитать дозовые коэффициенты для перорального поступления радионуклидов на единичную плотность загрязнения. Таким образом, радионуклиды поступают в природную среду в следовых количествах и вначале посредством физических процессов переносятся в воздушной и водных средах до того момента, пока они где-то не локализуются. Мониторинг проводился с самого начала ядерных испытаний посредством измерений ⁹⁰Sr, а часто еще ⁸⁹Sr и ⁹⁵Zr. Затем к этому добавился и мониторинг с помощью ¹³⁷Cs. Все вместе позволило изучить крупномасштабные атмосферные и гидросферные процессы, а также время пребывания аэрозолей в различных слоях атмосферы. Что касается усредненных дозовых нагрузок, то они в среднем невелики. Однако, к сожалению, в России есть места, например пойма р. Течи, где средние значения были превышены на несколько порядков величины. 

Радиоактивные отходы и отработавшее ядерное топливо 

     Радиоактивные отходы (РАО) вызывали и вызывают особенно большую озабоченность как у  экологов, так и у широких слоев  населения, являясь одним из основных источников риска для человека и биосферы при использовании ядерной энергии. О чем же идет здесь речь? Помимо предприятий ЯТЦ существуют многочисленные другие учреждения, в которых используются радионуклиды. Деятельность всех их приводит к появлению различных материалов, растворов, газообразных продуктов, биологических объектов, грунтов, изделий и аппаратуры, в которых содержание радионуклидов превышает уровни, установленные нормативными актами. Все перечисленное выше и является радиоактивными отходами. Иногда в категорию РАО может быть включено также отработавшее (облученное) ядерное топливо (ОЯТ), если оно по каким-либо причинам не подлежит последующей переработке в целях извлечения из него компонентов и после соответствующей выдержки будет направлено на захоронение.

     В радиационной экологии помимо РАО и  ОЯТ существенным понятием является также радиоактивное вещество, т.е. любое вещество в любом агрегатном состоянии, содержащее радионуклиды с такой активностью, на которую распространяются требования НРБ.

     Итак, радиоактивные отходы образуются:

• при эксплуатации и снятии с эксплуатации предприятий ядерного топливного цикла (добыча и переработка радиоактивных руд, изготовление тепловыделяющих элементов, производство электроэнергии на АЭС, переработка отработанного ядерного топлива);
• в процессе реализации военных программ по созданию ядерного оружия, консервации и ликвидации оборонных объектов и реабилитации территорий, загрязненных в результате деятельности предприятий по производству ядерных материалов;
• при эксплуатации и снятии с эксплуатации кораблей военно-морского и гражданского флотов с ядерными энергетическими установками и баз их обслуживания;
• при использовании радионуклидов в народном хозяйстве, медицинских учреждениях и в научно-исследовательских учреждениях;
• в результате проведения ядерных взрывов в интересах народного хозяйства, при добыче полезных ископаемых, выполнении космических программ, а также при авариях на атомных объектах.

     Образовавшиеся  отходы представляют угрозу для окружающей среды и обслуживающего персонала. Поэтому в настоящее время  сложилась определенная практика по обращению с ними. Она включает в себя следующие приемы): сбор и  предварительную обработку, сортировку отходов по химическому и радионуклидному составу, уровню активности; переработку отходов в форму, пригодную для хранения, транспортировки и захоронения; кондиционирование и временное хранение или захоронение отходов.

     В экологическом плане основной задачей  является минимизация ущерба для природы. Для этого сооружают хранилища и могильники, где РАО находятся в различных физико-химических формах: в твердом виде (загрязненное оборудование, материалы, грунты и др.), в отвержденном — битумные, цементные и стеклоподобные блоки, в жидком (ЖРО) — радиоактивные растворы и пульпы, хранящиеся в специальных емкостях и открытых бассейнах, а также растворы, закачанные в глубинные подземные горизонты горных пород. Последствием вопиющего несоблюдения элементарных правил обращения с отходами является загрязнение бассейна реки Теча предприятием «Маяк» в Челябинской области. Наиболее тяжелые последствия несоблюдения режимов хранения имели место там же. Во все учебники вошли, например, аварии 29 сентября 1957 г. и весной 1967 г.

     Исторически сложились разные системы классификации  РАО. В экологическом плане два  момента являются определяющими: физико-химическое состояние вещества и его активность. Конечно, в любом случае деление отходов по категориям устанавливается нормативными актами. Что касается физико-химического состояния, отходы делятся на жидкие, твердые и газообразные.

     К жидким радиоактивным отходам относятся  не подлежащие дальнейшему использованию  органические и неорганические жидкости, пульпы и шламы, в которых удельная активность радионуклидов более чем в 10 раз превышает значения уровней вмешательства при поступлении с водой.

     К твердым радиоактивным отходам  относятся отработавшие свой ресурс радионуклидные источники, не предназначенные  для дальнейшего использования материалы, изделия, оборудование, биологические объекты, грунт, а также отвержденные жидкие радиоактивные отходы, в которых удельная активность радионуклидов больше значений, установленных действующими нормами: если радионуклидный состав не известен, то в тех случаях, когда удельная активность больше:

     100 кБк/кг — для источников р-излучения;

     10 кБк/кг — для источников а-излучения;

     1,0 кБк/кг — для трансурановых  радионуклидов.

     К газообразным радиоактивным отходам  относятся не подлежащие использованию радиоактивные газы и аэрозоли, образующиеся при производственных процессах с объемной активностью, превышающей допустимую объемную активность, установленную действующими нормами.

     Что касается активности, то согласно наиболее распространенной системе, основанной в первую очередь на удельной активности отходов, РАО разделяют на высокоактивные отходы (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО). Кроме того, для твердых РАО (ТРО) учитывается тип доминирующего излучения и мощность экспозиционной дозы на поверхности отходов.

     Основную  часть НАО составляют отходы, образующиеся при добыче и переработке урановой руды, дезактивационные воды и активированные элементы теплоносителя. Основную часть  САО составляют оболочки твэлов и отработавшие радионуклидные источники.

     Основную  часть ВАО образуют растворы, получаемые при регенерации ядерного топлива  на радиохимических заводах.

     Тем не менее классификацию РАО по удельной активности нельзя признать удачной. Необходимо учитывать радионуклидный и физико-химический состав, а также  периоды полураспада. Такая простая классификация практически не учитывает наличия плутония и трансурановых элементов, хранение которых требует специальных жестких мер, как это принято в международной практике. Тем не менее именно такая классификация пока существует в России. Общий подход к классификации РАО, уже применяемый в некоторых странах, помимо удельной активности учитывает также: как долго активность отходов будет оставаться на опасном уровне и какое количество тепла отходы генерируют.