человек начал энергично создавать искусственные радиоактивные вещества. В работающих силовых реакторах атомных электростанций непрерывно идет образование радиоактивных продуктов деления. При делении ядер урана (именно эта ядерная реакция продуцирует атомную энергию) образуется более ста различных радиоактивных веществ. Происходит мощное нейтронное излучение, вызывающее наведенную радиоактивность в жидкостях, циркулирующих в реакторах при охлаждении и переносе энергии.
Строительство многих химических заводов и тепловых электростанций осуществлялось задолго до того, как была осознана важность проблемы загрязнения окружающей среды. Через их трубы в атмосферу выбрасывались огромные количества вредных для биосферы веществ, таких, как окислы азота, окислы серы и многие другие. В воды рек поступали жидкие отходы, до настоящего времени губящие жизнь ее обитателей во многих местах нашей планеты. (Катастрофические результаты этой человеческой деятельности можно наблюдать в крупных промышленных центрах Японии.) Совершенно иная картина на атомных электростанциях. При проектировании атомных электростанций учитывалась опасность поступления в окружающую среду радиоактивных отходов, поэтому производство планировалось по строго замкнутому циклу, с жестким контролем и сохранением всех потенциально опасных радиоактивных нуклидов.
Следует напомнить, что ядерный распад происходит в герметически закрытых топливных элементах реактора и, следовательно, все твердые продукты деления остаются в урановых стержнях. Основное внимание с точки зрения загрязнения окружающей среды привлекают некоторые газообразные или летучие продукты распада, такие, как изотопы криптона, ксенона, йода, тритий и элементы с наведенной активностью — Аr41, С14, N16, S35.
Большинство образующихся радиоактивных благородных газов (изотопы ксенона и криптона) имеют короткий период полураспада (ксенон-135 — 9,2 ч, ксенон-133 — 5,3 дня, ксенон-138 — 17 мин, криптон-88 — 2,8 ч, криптон-87 — 76 мин). Попадание этих элементов в атмосферу не представляет опасности по двум причинам: как благородные газы они не вступают в метаболизм и не накапливаются в тканях живых организмов и по мере распространения в атмосфере, быстро распадаясь, теряют свою радиоактивность. Только один изотоп — криптон-85 — принадлежит к долгоживущим радионуклидам: его период полураспада 10,7 лет. Накапливаясь в атмосфере, он повышает естественный фон облучения. Более подробно об этом будет сказано в конце главы. Здесь же отметим, что криптон-85 составляет лишь несколько процентов от общей радиоактивности газов работающего реактора.
Образование газов с наведенной радиоактивностью происходит различно в реакторах с разными системами охлаждения. Так, например, в реакторах с газовым охлаждением при использовании СО2 идет ядерная реакция внетопливных элементов О16 → np → N16 с образованием короткоживущего радиоактивного азота (период полураспада 7,3 с) с жестким γ-излучением. Оно вносит значительный вклад в γ-поле работающих турбин реактора, снижаемое соответствующей физической защитой.
Из образующихся во время работы реактора газообразных нуклидов наибольшее внимание привлекает радиоактивный изотоп водорода — тритий Н3. Некоторое его количество образуется в процессе деления урана, а также благодаря воздействию нейтронов на изотопы лития, бора и тяжелый изотоп водорода дейтерий. Особенно много его образуется в реакторах, работающих на тяжелой (дейтериевой) воде. Графит, используемый в качестве регулятора во многих системах реакторов, содержит примеси лития, который тоже служит источником трития… Из-за трудностей в фиксации и относительно большого периода его полураспада (12,4 лет) тритий попадает в окружающую реактор среду и распространяется в атмосфере, водах морей и океанов, правда, в очень небольших количествах.
При делении урана и при радиоактивном распаде продуктов деления в работающем реакторе атомных электростанций постоянно образуется ряд легколетучих радиоактивных изотопов иода: J131 (п. п. 8 дней), J132 (2,3 ч), J134 (53 мин), J135 (6,7 ч) и J129 (1,6 107 года). Из этих изотопов долгоживущий J129 образуется в столь малом количестве, что не обнаруживается во внешней среде. Не представляют опасности и остальные изотопы благодаря ничтожно малому времени их существования. Исключение составляет лишь J131, имеющий период полураспада 8 дней. Попадая в газообразные отходы, он быстро распространяется на местности вблизи реактора и благодаря химической активности быстро включается в пищевые цепи — через молоко попадает в организм человека. Фильтры, устанавливаемые на пути газообразных отходов, захватывают основную часть образующегося иода, резко снижая его поступление в окружающую реактор среду.
Таким образом, благодаря замкнутому циклу работающих атомных электростанций, системе фильтров для газообразных и летучих продуктов в окружающую среду поступает лишь незначительное количество криптона-85, трития и иода-131: намного меньше, чем при переработке отслуживших урановых стержней (твэлов), — следующего этапа производства атомной энергии.
Работа заводов
по регенерации ядерного топлива
Во время работы атомной электростанции, получающей энергию за счет деления атомов урана, среди продуктов деления и ядерных реакций в стержнях накапливается плутоний-239 (Pu239) — чрезвычайно ценное ядерное горючее — путем следующих превращений урана:
Поэтому отработанные стержни поступают на специализированные заводы для извлечения и очистки плутония-239 и превращения его в новое ядерное горючее для реакторов.
На регенерационных заводах твэлы выдерживаются некоторое время в водных бассейнах для охлаждения и распада многих короткоживущих радионуклидов. Затем их содержимое извлекается, обрабатывается азотной кислотой, органическими комплексообразующими растворителями. В результате уран и плутоний, отделяются от радиоактивных отходов, превращаются в окислы, удобные для приготовления ядерного горючего.
При этих процедурах такие летучие и газообразные нуклиды, как йод, тритий, криптон, ксенон и другие, выделяются в окружающее пространство и, пройдя ряд поглотителей и фильтров, все же в некотором количестве поступают через заводские трубы в атмосферу. Долгоживущий криптон-85 — основной компонент в радиоактивном загрязнении внешней среды. Тритий в значительной мере растворяется в так называемых жидких отходах, содержащих основную массу радиоактивных отбросов, и только около 7 % попадает непосредственно в атмосферу. Однако при сгущении жидких отходов происходит дополнительное поступление трития в окружающую среду.
При выдерживании стержней основная масса J131 распадается, однако долгоживущий изотоп J129, несмотря на меры по его адсорбции, в небольшом количестве поступает в окружающую среду.
Твердые радиоактивные отходы,
их хранение и удаление
Очень незначительная часть радиоактивных нуклидов, образующихся при производстве атомной энергии и переработке ядерного горючего, попадает в окружающую среду при нормальной работе АЭС. Основная же часть после регенерации урана и плутония концентрируется, образуя высокорадиоактивные отходы производства. К концу нашего столетия вследствие развития атомной энергетики их количество достигнет весьма внушительного объема — около 104 м3.
Радиоактивные отхрды регенерирующих заводов содержат радионуклиды с длительным периодом полураспада. Среди них — рубидий-87 (п. п. 6,1×1010 лет), стронций-90 (28 лет), цезий-137 (30 лет), иллиний-147 (2,2 года), церий-144, европий-155, рутений-106, марганец-54 (около одного года). По количеству на первом месте находятся стронций-90, цезий-137, рутений-106 и церий-144. Остальные присутствуют в сравнительно малом
