Калин Материаловедческие проблемы екологии в области ядерной енергетики 2010

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Б.А. Калин, В.И. Польский, В.Л. Якушин, И.И. Чернов

МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ В ОБЛАСТИ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Учебное пособие

Рекомендовано УМО «Ядерная физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений

Москва 2010

УДК 539.2(075) ББК 22.37я7 К17

Калин Б.А., Польский В.И., Якушин В.Л., Чернов И.И.

Материаловедческие проблемы экологии в области ядерной энергетики: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 184 с.

Рассмотрены общие вопросы экологии. Дан сравнительный анализ экологических проблем в различных областях энергетики. Особое внимание уделено материаловедческих проблемам экологии в области ядерной энергетики. Рассмотрены вопросы выемки, временного хранения, транспортировки, переработки или захоронения отработавшего ядерного топлива.

Пособие написано в соответствии с программами учебных дисциплин «Материаловедческие проблемы экологии» и «Проблемы экологии в ядерной энергетики», являющихся составной частью учебных дисциплин для студентов, обучающихся по специальности 150702 «Физика металлов», специализации 140426 – «Реакторное материаловедение и магистерской программы по направлению 140400 «Техническая физика».

Предназначено для студентов старших курсов и аспирантов, специализирующихся в области материаловедения, атомной энергетики и техники безопасности, ядерной энергетике, изучивших курсы общей физики, физики прочности, основ материаловедения, радиационной физики твердого тела и осваивающих смежные специальности.

Рецензент канд. техн. наук, доц. В.Н.Яльцев

ISBN 978-5-7262-0942-5 Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010

2

	СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ		6
1.	АНТРОПОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДЫ	19
	1.1. Загрязнение атмосферы	20
	1.1.1. Парниковый эффект	22
	1.1.2. Киотский протокол	23
	1.2. Загрязнение почвы	24
	1.3. Загрязнение водной среды	26
	1.4. Проблема бытовых отходов	28
2.	ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ	32
	2.1. Энергетика и цивилизация	32
	2.2. Перспективы ядерной энергетики	38
	2.3. Энергетика и экология	41
	2.3.1. Традиционные виды энергетики	41
	2.3.2. Альтернативные виды энергетики	43
	2.3.3. Экологические проблемы ядерной энергетики	46
3.	ВОЗДЕЙСТВИЕ АТОМНЫХ СТАНЦИЙ
	НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ	49
	3.1. Виды радиоактивного излучения	49
	3.2. Явление радиоактивности	51
	3.3. Действие ионизирующих излучений	55
4.	ДОБЫЧА УРАНА И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТОПЛИВА	63
	4.1. Добыча и переработка урановой руды	64
	4.2. Обогащение урана	68
	4.3. Изготовление топлива	70
	4.4. Сравнительные качества разных видов топлива	73
5.	РЕАКЦИИ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ
	ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА	78
	5.1. Радиоактивные продукты деления ядерного топлива	80
	5.2. Разрушение топливных сердечников	82
	3

	5.3. Активность продуктов деления	84
	5.4. Остаточное энерговыделение ОЯТ	85
	5.5. Повреждения твэлов в процессе эксплуатации	87
6.	АВАРИИ НА АЭС	91
	6.1. Шкала тяжести аварий	91
	6.2. Аварии на предприятиях по изготовлению
	и переработке ядерного топлива	93
	6.3. Аварии на транспортных атомных реакторах	98
	6.4. Аварии на АЭС	99
	6.5. Экологические последствия радиоактивного
	облучения	105
	6.6. Анализ аварий в активной зоне АЭС	108
	6.6.1. Развитие аварии с плавлением активной зоны	109
	6.6.2. Поведение материалов активной зоны при развитии
	тяжелой аварии	110
	6.6.3. Воздействие расплава топлива с бетоном	112
	6.6.4. Паровой взрыв	112
	6.6.5. Выделение ПД и аэрозолей	113
	6.6.6. Образование и горение водорода	115
7.	НАКОПЛЕНИЕ ОЯТ	117
	7.1. Выгрузка и выдержка ОЯТ	118
	7.2. Экологические проблемы обращения с ОЯТ	120
	7.3. Анализ состояния внутритвэльной среды в ОЯТ	120
	7.4. Накопление ПД внутри контейнеров при хранении	123
	7.5. Утечка ПД из контейнеров в процессе хранения	127
	7.6. Снижение радиоактивности ПД в процессе
	временного хранения	130
	7.7. Повреждение оболочек ОТВС	134
8.	ТРАНСПОРТИРОВКА ОЯТ	137
	8.1. Требования безопасности при транспортировке	137
	8.2. Конструкции упаковочных комплектов
	и контейнеров для перевозки ОЯТ	142
	8.3. Требования к конструкционным материалам ТУК	149
	8.4. Материалы и элементы конструкций ТУК	152
	4

	8.5. Аварии при транспортировке	156
	8.6. Утечка ПД при транспортировке	158
9.	ПЕРЕРАБОТКА И ЗАХОРОНЕНИЕ ОЯТ	161
	9.1. Переработка РАО и ОЯТ	161
	9.2. Захоронение ОЯТ	163
	9.3. Методы длительного хранения ОЯТ	165
	9.4. Изменение состава ПД в процессе
	длительного хранения	167
	9.5. Опытные данные по длительному хранению ОТВС	169
10.	МАЛОАКТИВИРУЕМЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ
	МАТЕРИАЛЫ	171
	10.1. Наведенная активность	171
	10.2. Ядерно-физические характеристики КМ	173
	10.3. Повышение эффективности защиты от излучения	177
	10.4. Разработка малоактивируемых материалов	178
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ		183

5

ВВЕДЕНИЕ

Экология наука о взаимодействии растительных и животных организмов друг с другом и с окружающей средой. Впервые термин «экология» был применен Эрнстом Геккелем в 1869 г. Слово экология образовано от греческого «oikos», что означает «дом» и «logos» наука, т.е. буквально переводится как наука о собственном доме и процессах, происходящих в нем. Экологические исследования, как таковые, начали появляться только в начале ХХ в. Тогда же экология оформилась как самостоятельная наука.

Соседней с экологией является наука этология, которая занимается изучением поведения животных в разных средах обитания.

Изучением обмена веществ и энергий в естественной среде занимается наука синэкология.

Воздействием внешней среды на целые популяции, в том числе и на человека, занимается наука под названием демография.

Проблемы экологии особенно обострились в последние десятилетия, когда резко возросло население земли и стала доступна информация об окружающей среде.

Биосфера область земной поверхности, населенная жизнью. Термин был впервые введен австрийским геологом Эдвардом Зюссом в 1873 г. Несколько десятилетий спустя русский геохимик и минералог В.И. Вернадский в своих трудах фактически открыл заново это понятие. Он ввел представление о развитии биосферы в ходе всей геологической истории Земли. Это понятие охватывало нижние слои атмосферы (тропосфера), океан (гидросфера) и поверхностную оболоч-

ку суши (литосфера).

Таким образом, биосфера делится на воздушную, водную и геологическую части. На границе суши и водной среды формируется обширная область, населенная фотосинтезирующими организмами. Это наиболее продуктивный слой на суше вместе с верхними слоями гидросферы, в которые проникает солнечный свет.

Экосистема – единство на данном участке биосферы всех живых организмов и взаимодействие их с физической средой. Экосистема имеет два компонента, разделенные во времени и пространстве:

автотрофный компонент (самостоятельно питающийся) с фиксацией световой энергии, использующий простые вещества для построения сложных;

6

гетеротрофный компонент (питающийся другими) с утилизацией, перестройкой и разложением сложных веществ.

Гетеротрофы в свою очередь делятся на две категории: биофаги – поедающие другие живые организмы; сапрофаги – питающиеся мертвым органическим веществом.

Экосистема включает в себя биотоп (от греческого bios жизнь + topos место) – относительно однородное пространство среды в пределах водной, наземной и подземной частей биосферы, включающее элементы неорганической основы: рельеф, воды, грунт, почву, микроклимат, освещенность и т.д.

Биотопные факторы среды это компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы. Основные из них: температура, свет, вода, кислород, магнитное поле Земли и почва.

Биотоп совместно с биоценозом (совокупностью всех организмов данного биотопа) составляет единый биогеоценоз.

Элементарной единицей в экологии считается живая особь. Совокупность особей одного вида, занимающая определенную территорию, способная обмениваться между особями генетической информацией и устойчиво поддерживать свое существование, носит название

популяция.

Основными характеристиками популяции является плотность – среднее число особей на единицу площади или объема, численность, рождаемость, смертность, выживаемость, возрастное распределение.

Если обеспечить популяцию всем необходимым, она будет размножаться в соответствии с экспоненциальным законом, пока не займет все пространство. Но такая модельная система имеет ограниченное время существования. Безграничный рост популяции невозможен из-за нехватки продуктов питания, растущей смертности, связанной с отравлением среды обитания продуктами жизнедеятельности и т.д.

Развитие экосистем управляется как внутренними, так и внешними факторами.

Для наземных экосистем внутренними факторами являются: состав приземного воздуха, содержание O2 и CO2;

температура почвы, влажность, аэрация, физико-химические свойства, химический состав, содержание гумуса, окислитель- но-восстановительный потенциал и доступность элементов минерального питания;

7

плотность популяций разных видов, их возрастной и половой состав, морфологические, физиологические и поведенческие характеристик,

внешними:

интенсивность солнечной радиации; температура и влажность воздуха; интенсивность атмосферных осадков; скорость ветра;

скорость заноса семян и других зародышей или притока взрослых особей из других экосистем;

антропогенное воздействие.

Для водных экосистем внутренние факторы:

свойства активного слоя воздуха над водной поверхностью (температура, скорость ветра);

свойства водной толщи (освещенность, прозрачность/мутность, температура, соленость, содержание O2 и CO2, биогенных элементов, растворенных и взвешенных органических веществ, кислотность);

механические и химические свойства донного грунта;

биотические свойства (плотность популяций, их возрастной и половой состав, морфологические, физиологические и поведенческие характеристики),

внешние:

интенсивность солнечной радиации; скорость течения;

поступление растворенного и взвешенного вещества; приток организмов; наличие притока и оттока воды.

Часть земного шара, где существует современная жизнь, называется экосферой. Биосфера построена по иерархическому принципу: особь – популяция – сообщество – экосистема – экосфера – биосфера.

Экосфера в свою очередь является глобальной системой, объединяющей все современные экосистемы Земли. Ее протяженность по вертикали меняется от долей метра до десятков и сотен метров в лесах на суше и от единиц до тысяч метров – в морях и океанах.

Существование живых организмов обнаружено в диапазоне температур от 250 до +160 С и при давлениях от 0,001 до 3000 атм. Нижняя граница жизни в водной среде проходит на глубине 10 км.

8

Например, в Антарктиде на глубине 4 км было найдено подземное озеро «Восток», в котором обнаружены примитивные формы жизни. Верхняя граница условно располагается до слоя озона на высоте около 45 км над уровнем моря.

Общая биомасса живого вещества на Земле оценивается в 2,4∙1012 т сухого вещества. Ежегодное воспроизводство органической массы растениями составляет 17∙1010 т сухого вещества. В наземных экосистемах основная биомасса сосредоточена в зеленых растениях

(табл. 1).

						Таблица 1
		Биомасса организмов Земли
Часть						Доля
		Организмы			Биомасса, т	в общей
биосферы
						биомассе, %
Континенты		Зеленые растения			2,4∙1012	99,2
		Животные
		и микроорганизмы			0,02∙1012	0,8
		Итого:			2,42∙1012
Океаны		Зеленые растения			0,0002∙1012	6,3
		Животные
		и микроорганизмы			0,0030∙1012	93,7
		Итого:			0,0032∙1012
		Всего:			2,4232∙1012
	Показатель				Сухое вещество, млн т
Биомасса:
человечество				62
домашний скот				265
урожай с пахотных земель				1200 (0,01 продукции суши)
Годовое потребление человеком:
животных суши (включая молоко
и яйца)				72
растительной пищи				1200
обитателей водных бассейнов				16,5 (из них 88 % из океанов)
использование древесины				2,2
	9

Один из основных источников получения энергии в природе – фотосинтез. Общее количество энергии, которое связывается в результате фотосинтеза в органическом веществе зеленых растений в расчете на единицу площади и за единицу времени, называется валовая первичная продуктивность. Та же ее часть, которая остается после вычетов расходов на дыхание самих растений и поддержание потребностей их обмена веществ, носит название чистая первичная продуктивность. Продуктивность оценивается либо в тоннах сухого органического вещества, синтезированного на единице площади за год, либо чаще в энергетическом выражении Дж/(год∙м2).

Совокупность организмов, занимающих определенное положение в общей цепи питания, носит название трофический уровень. К одному трофическому уровню принадлежат организмы, получающие свою энергию по одинаковому типу. Например, зеленые растения занимают первый трофический уровень (уровень продуцентов), они получают энергию от Солнца; травоядные животные – второй (уровень консументов); хищники, поедающие травоядных, – третий уровень и т.д. Человек – консумент четвертого уровня.

В результате последовательных превращений энергии в пищевых цепях каждое сообщество живых организмов в экосистеме приобретает определенную трофическую структуру. Трофическая структура сообщества отражает соотношение между продуцентами, консументами (отдельно каждых порядков) и редуцентами (микроорганизмыразлагатели отмирающих организмов и продуктов их жизнедеятельности), выраженное количеством особей живых организмов (их биомассой) или заключенной в них энергией, на единицу площади в единицу времени.

Вторичную продуктивность определяют как процесс образования гетеротрофными популяциями (консументы и редуценты) новой биомассы, измеряемой в граммах сухого органического вещества или в единицах эквивалентной им энергии в расчете на единицу площади за единицу времени.

Образование нового органического вещества в основном осуществляется автотрофами – организмами, способными поглощать солнечную энергию, запасая ее в виде энергии химических связей с помощью фотосинтеза с выделением кислорода.

Значительно меньше органического вещества образуется при хемосинтезе – типе питания хемосинтезирующих бактерий, основан-

10