Энергетика и окружающая среда. Проблемы энергетики

В Российской Федерации

Экологическое нормирование состояния территорий

2.12.1. Критерии выявления зон экологического неблагополучия

Разработка национальных программ экологической безопасности тре­бует четкого количественного определения параметров и критериев, ха­рактеризующих состояние экосистем и допустимых пределов изменений. Такие критерии разработаны и являются необходимой частью норматив­ных документов в ряде стран (США, Канада, Россия).

В основе их лежит опыт исследований индикаторов состояния при­родной среды и здоровья населения, а также их взаимосвязей. В РФ такие критерии используются для выявления зон экологического неблагополу­чия. Законом РФ «Об охране окружающей среды» уста­новлено, что участки территории РФ, где в результате хозяйственной или иной деятельности происходят устойчивые отрицательные изменения в окружающей природной среде, угрожающие здоровью населения, состо­янию естественных экологических систем, генетических фондов растений и животных, объявляются зонами чрезвычайной экологической ситуации.

Зоной экологического бедствия, указами президента или постановлениями правительства России, на основе государственной экологической экспертизы, объявляется часть территории РФ, на которой в результате хозяйственной либо иной дея­тельности произошли глубокие необратимые изменения ОС, повлекшие за собой существенное ухудшение здоровья населения, разрушение естественных экосистем, деградацию флоры и фауны.

Положения российского законодательства, касающиеся зон экологи­ческого неблагополучия, реализованы путем введения в практику разработанных Минэкологии России совместно с другими ведомствами критериями оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Документы позволяют дать оценку состояния территорий и выявить чрезвычайные ситуации, возникшие в результате антропогенного воздей­ствия, определяют порядок поэтапного проведения оценки и объявления территорий зонами экологического неблагополучия. Они предусматрива­ют единый подход, позволяющий классифицировать территории по сте­пени экологического неблагополучия.

Выявление зон экологического неблагополучия на основании разра­ботанных критериев проводится в целях определения источников и фак­торов ухудшения экологической обстановки и разработки обоснованной программы мер по стабилизации и снижению степени экологического неблагополучия на обследуемой территории.

Экологическая обстановка может классифицироваться по возраста­нию степени экологического неблагополучия следующим образом:

1) относительно удовлетворительная;

2) напряженная;

3) критическая;

4) кризисная (зона чрезвычайной экологической ситуации);

5) катастрофическая (зона экологического бедствия).

Оценка степени экологического неблагополучия территорий (аквато­рий) проводится по признакам, приведенным в табл. 2.5.

Под существенным ухудшением здоровья населения понимается уве­личение необратимых, несовместимых с жизнью нарушений здоровья, изменение структуры причин смерти (онкозаболевания, врожденныепороки развития, гибель плода) и появление специфических заболеваний, вызванных загрязнением окружающей среды, а также существенное уве­личение частоты обратимых нарушений здоровья (неспецифические за­болевания, отклонения физического и нервно-психического развития, нарушение течения и исходов беременности и родов и т. п.), связанных с загрязнением окружающей среды. Под угрозой здоровью населения пони­мается увеличение частоты обратимых нарушений здоровья (неспецифи­ческие заболевания, отклонения в физическом и нервно-психическом развитии, нарушение или осложнение течения и исхода беременности и родов и т. п.), связанных с загрязнением окружающей среды.

Признаки, приведенные в табл. 2.5, позволяют рассматривать эко­логически неблагополучную ситуацию на территории как свершившее­ся событие (бедствие) или как надвигающуюся угрозу. При этом име­ются в виду такие территории, где воздействие антропогенного фактора имеет длительный хронический характер с периодом воздействия не менее одного года.

Таблица 2.5

Признаки территорий крайних степеней экологического неблагополучия

Положения	Степень экологического неблагополучия
	Экологическое бедствие	Экологический кризис
Окружающая природная среда	Глубокие необратимые изменения. Существенное ухудшение здоровья населения	Устойчивые отрицательные изменения. Угроза здоровью населения
Естественные экосистемы	Разрушение естественных экосистем (нарушение природного равновесия, деградация флоры, фауны, потеря генофонда)	Устойчивые отрицательные изменения состояния естественных экосистем (уменьшение видового разнообразия, исчезновение отдельных видов растений и животных, нарушение генофонда)

Таким образом, в критериях рассматриваются две крайние степени экологического неблагополучия территорий, соответствующих зоне бед­ствия и зоне чрезвычайной ситуации (кризиса). Оценка их экологического состояния дается в сравнении с «фоном», за который принято относи­тельно удовлетворительное, благополучное экологическое состояние (условная норма) в регионе.

Экологическое благополучие оценивается с двух позиций:

- качества среды обитания и здоровья населения;

- состояния окружающей природной среды (состояния природных экосистем).

Качество среды обитания человека определяется совокупностью кри­териев как санитарно-гигиенических, так и общеэкологических. Об ухуд­шении здоровья населения судят по медико-демографическим критериям. Об изменениях среды обитания судят по критериям загрязнения атмос­ферного воздуха, воды, почвы, а также по влиянию ионизирующего из­лучения.

Состояние природной среды и природных экосистем характеризуют критерии загрязнения воздушной среды, воды, почв, истощения природ­ных ресурсов, деградации экосистем. Качество природной среды оценива­ется с позиций как общеэкологических, так и санитарно-гигиенических требований.

Под критерием подразумевается совокупность показателей, характери­зующих ухудшение состояния здоровья населения и ухудшение состояния окру­жающей среды.

Показатели представляют собой меру с параметрами (численными значениями), обозначающими границы интервалов, которые описывают степени экологического неблагополучия территорий.

2.12.2. Зоны экологического неблагополучия в Российской Федерации

Применение критериев показало, что к экологически неблагополуч­ным регионам России следует отнести: города Братск и Нижний Тагил; зону прибрежной полосы Черного и Азовского морей; природный комплекс бассейна озера Байкал; бассейны рек Томь и Волга; Кавказские Минеральные Воды; Тульскую область; территории радиоактивного загрязнения; Онежское озеро, Ладожское озеро, Невскую губу; районы Крайнего Севера, Кольского полуострова; прибрежные территории Каспийского моря; промзону Урала.

Правительством РФ утверждены федеральные экологические программы по мерам улучшения состояния окружающей среды городов Братск, Нижний Тагил и других.

В соответствии с Законом «Об охране окружающей среды», отнесе­ние участков территории РФ к той или иной зоне чрезвычайной ситуации устанавливается согласно документу «Временный порядок объявления территорий зоной чрезвычайной экологической ситуации» на основании заключения государственной экологической экспертизы и объявляется указами Президента РФ либо постановлением Федерального собрания РФ.

Выделены два вида территорий:

- территории с чрезвычайной экологической ситуацией, имеющей экологические последствия;

- территории с неблагополучной экологической обстановкой.

К первым отнесены территории, подверженные внезапному, острому и кратковременному воздействию и требующие оперативной ликвидации последствий. Ко вторым — территории, характеризующиеся длительным, многофакторным воздействием, в результате которого происходит устой­чивое изменение в окружающей среде, угрожающее здоровью населения.

По степени экологического неблагополучия территории могут быть отнесены к одной из трех категорий:

- территории с напряженной экологической обстановкой (города Екатеринбург, Омск, Братск, Нижний Тагил, Кемерово, бассейн реки Волги, Ханты-Мансийский и Ямало-Ненецкий автономные округи);

- территории экологического кризиса (города Каменск-Уральский (Сверд­ловская область), Магнитогорск (Челябинская область), Чапаевск (Самар­ская область), Новочеркасск (Ростовская область);

- территории экологического бедствия ( город Карабаш (Челябинская об­ласть), Кузбасс, регион Черных земель Калмыкии; в ближнем зарубежье - Арал и Приаралье).

Результаты использования критериев оценки экологи­ческой обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной эколо­гической ситуации и зон экологического бедствия публикуются в ежегодном Государственном Докладе о состоянии окружающей при­родной среды в Российской Федерации. Разработаны меры по сохранению и восстановлению окружающей природной среды, в частности в «Национальном плане действий по охране окружаю­щей среды РФ».

ª Вопросы для самопроверки

1. Назовите признаки экологического неблагополучия территорий.

2. Каковы главные отличия зоны чрезвычайной экологической ситуации и зоны экологического бедствия?

3. Как классифицируется экологическая обстановка?

4. Кто устанавливает статус части территории страны как зоны экологического бедствия?

5. Что понимают под существенным ухудшением здоровья населения?

6. Какие зоны экологического неблагополучия и экологического бедствия на территории РФ Вы можете назвать?

2.13.1. Виды природных ресурсов

Единицы измерения приведенных в разделе величин:

Мега - М = 10⁶; Гига - Г = 10⁹; Тера - Т = 10¹²; Пэта - П = 10 ¹⁵; Экса - Э = 10 ¹⁸.

Под природными ресурсами понимают природные объекты, которые используются человеком и способствуют созданию материальных благ. Исчерпаемые ресурсы – те, которые могут быть исчерпаны в ближайшей или отдаленной перспективе. Обычно ресурс считают исчерпанным, когда его добыча и использование становится экономически невыгодным. К неисчерпаемым относятся те ресурсы, которые можно использовать неограниченно долго. Классификации ресурсов приведены на рис. 2.1.

Разведанные запасы невозобновимых ресурсов, т.е. количества, которые могут быть добыты из недр при современных технологиях, почти на два порядка меньше геологической оценки их суммарного содержания в земной коре.

Преобладающая масса содержится в рассеянных месторождениях горючих сланцев, где концентрация углеводородов ниже 3 %. Реальные эксплуатационные запасы в два-три раза меньше разведанных. Доступные запасы нефти и газа примерно на два порядка превышают их современное годовое извлечение, запасы угля — на три порядка. Соотношение энергии используемых угля, нефти и газа в настоящее время близко к 35: 43: 22.

Рис. 2.1. Классификация природных ресурсов по их исчерпаемости

Рис. 2.2. Классификация минерально-сырьевых ресурсов

Решающее влияние на объем добычи топлива оказывает пока еще не конечность запасов, а растущий спрос и политика цен. Месторождения ископаемых топлив расположены неравно­мерно.

Но 1/3 потенциальных мировых запасов угля и газа и более 20 % нефти находятся в России. Почти 35 % нефти и около 17 % газа сосредоточено на Среднем Востоке. Большими по­тенциалами угля, газа и нефти богата Северная Америка. Эти три региона располагают почти 70 % разведанных мировых запасов ис­копаемого топлива. Еще не полностью оцененные большие поля месторождений нефти и газа расположены в районах континен­тального шельфа и континентального подножия морей Северного полушария.

Весь потенциал ископаемых (невозобновимых) топлив, конечно, колоссален по масштабам человеческой энергетики, но его реальная доступность даже в будущем вряд ли превысит доли процента. А по масштабам земного бюджета солнечной энергии (2,5 млн ЭДж/год (Э – экса) = 2,5×10 ¹⁸ млн Дж/год) этот потенциал не так уж велик: он немного превышает четырехлетний приток. Следует, однако, помнить, что земные запасы угля, нефти и газа сложились за несравненно большее время, минимум за 200—250 млн лет. Поэтому топливо, на образование которого в палеозое уходило несколько тысяч лет, мы сегодня сжигаем за год.

Энергетика определяет экономический потенциал государств и благосостояние людей, она же оказывает наиболее сильное воздействие на окружающую среду, экосистемы и биосферу в целом.

Самые острые экологические проблемы (изменение климата, кислотные осадки, всеобщее загрязнение среды и т.д.) прямо или косвенно связаны с производством либо с использованием энергии. Энергетике принадлежит ведущая роль не только в химических, но и в других видах загрязнения: тепловом, аэрозольном, электромагнитном, радиоактивном. Поэтому от решения энергетических проблем зависит возможность решения основных экологических проблем.

Энергетика – отрасль, развивающаяся невиданно быстрыми темпами (сравните: численность населения удваивается за 40 – 50 лет, а производство и потребление энергии каждые 12-15 лет).

В настоящее время энергетические потребности обеспечиваются в основном за счет трех видов энергоресурсов: органического топлива, воды и атомного ядра. Энергия воды и атомная энергия используются человеком после превращения в электрическую.

В то же время значительное количество энергии, заключенной в органическом топливе, используется в виде тепловой и только часть ее превращается в электрическую.

Однако и в том, и в другом случае высвобождение энергии из органического топлива связано с его сжиганием, а следовательно, с поступлением продуктов горения в окружающую среду.

За счет сжигания топлива (включая дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90 % энергии.

В промышленно развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта (в США в 1995 г. нефть в общем энергобалансе составляла 44 %, а в получении электроэнергии – только 3 %). Для угля противоположная закономерность: при 22 % в общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии (52 %) (в Китае около 75 %). А в России преобладающий источник получения электроэнергии – природный газ (около 40 %), уголь – 18 %, доля нефти не превышает 10 %.

В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5 – 6 % электроэнергии (в России 20,5 %), атомная энергетика дает 17 – 18 % электроэнергии. В России ее доля близка к 12 %, а в ряде стран она является преобладающей (Франция - 75 %, Бельгия – 58 %, Швеция – 46 %, Япония – 35 %, США – 19 %, в целом по странам Западной Европы – около 30 %).

В XX в. технический прогресс сопровождался стремительным ростом энергоемкости различных нужд человека и в настоящее время в развитых странах, несмотря на идеологию и практику энергосбережения люди буквально купаются в энергии. За 100 лет удельные затраты энергии на кондиционирование среды и приго­товление пищи увеличились в 8-10 раз, на перемещение (1 чело­веко- или тонно-километр) — в 15—20 раз, на производство 1 т пшеницы - в 100 раз.

Известно, к каким глубоким изменениям в мировой эконо­мике привел энергетический кризис 70-х годов и повышение цен на нефть. Резко изменилось отношение темпов прироста потребления энергии и валовых национальных продуктов ВНП). С 1970 по 1985 гг. энергоемкость ВНП США снизилась на 71 %, Франции - на 70 %, Великобритании - на 72 %, Японии ~ на 78 %. Это, однако, не означало снижения потребления энергии. Оно продолжало расти.

В данной исторической ситуации экономика России оказалась менее эластичной: энергоемкость национального дохода СССР за тот же период снизилась только на 15 %. В результате в середине 80-х гг. на единицу национального дохода мы тратили топливных ресурсов в 4,5 раза больше, чем США, и в 6 раз больше, чем Япония. Правда, значительная часть этой разницы неизбежна и обусловлена климатическими условиями России. Жесткость климата эффективной территории Финляндии, Норвегии, Исландии и Канады заметно меньше, чем в России.

Рассмотрим основные экологические последствия современных способов получения и использования энергии.

2.13.2. Тепловая энергетика

Сжигание топлива – не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду загрязняющих веществ. ТЭС в наибольшей степени “ответственны” за усиливающийся парниковый эффект и кислотные дожди. Они вместе с транспортом поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО₂), около 50 % двуокиси серы, 35 – 40 % окислов азота и около 35 % пыли. Имеются данные, что ТЭС в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа – 400 млн доз, магния – 1,5 млн доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах, что, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.

Наиболее чистым топливом является природный газ, далее, нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.

Хотя в настоящее время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является тенденция уменьшения их доли. По прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI века.

Вероятно существенное увеличение в мировом энергобалансе использования угля. Запасов углей для мировых потребностей в энергии может хватить на 200 – 300 лет. Возможная добыча углей (разведанные и прогнозные запасы) – 7 триллионов тонн. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы. Имеющиеся способы улавливания серы сложны и дороги, поэтому далеко не всегда используются. Поэтому значительное количество ее поступает и видимо будет поступать в будущем в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС – золой и шлаками.

Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн т мелкодисперсных аэрозолей, которые способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков, а у человека вызывают респираторные заболевания.

Выбросы ТЭС – источник сильного канцерогена – бенз(а)пирена, а также окислы кремния и алюминия (абразивных материалов, способных разрушать легочную ткань).

Серьезная проблема вблизи ТЭС – складирование золы и шлаков, требует значительных территорий, длительно не используемых и являющихся источником накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО₂ составляли 20 млрд т в год (сейчас около 6 млрд т в год). Это тот предел, за которым прогнозируют такие изменения климата, которые будут иметь катастрофические последствия для биосферы.

ТЭС – источник теплового загрязнения водоемов, т.к. вода используется как охлаждающий агент. Попадая в реки и водоемы, подогретые воды вызывают цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель водных организмов, заболачивание).

2.13.3. Гидроэнергетика

Одно из важнейших воздействий – отчуждение значительных площадей плодородных (пойменных) земель под водохранилища. Кроме экологического вызывает еще и социальный ущерб - необходимость переселения людей из родных деревень при строительстве равнинных ГЭС, утрата национальных памятников, культурных ценностей. В России, где за счет использования гидроресурсов производится не более 20 % электроэнергии, при строительстве ГЭС затоплено не менее 6 млн га земель.

Значительные площади земель вблизи водохранилищ испытывают подтопление в результате повышения уровня грунтовых вод. Эти земли переходят в категорию заболоченных. В равнинных условиях подтопленные земли могут составлять 10 % и более от затопленных. Уничтожение земель и свойственных им экосистем происходит также в результате их разрушения водой при формировании береговой линии. Такие процессы обычно продолжаются десятилетиями, имеют следствием переработку больших масс почвогрунтов, загрязнение вод, заиление водохранилищ.

Таким образом, со строительством водохранилищ связано резкое нарушение гидрологического режима рек, экосистем, их видового состава. Так, Волга практически на всем протяжении (от истоков до Волгограда) превращена в непрерывную систему водохранилищ.

Ухудшение качества воды имеет следующие причины: резкое увеличение количества органических веществ как за счет ушедших под воду экосистем (древесина, другие растительные остатки, гумус почвы), так и вследствие их накопления в результате замедленного водообмена.

В водохранилищах резко усиливается прогревание вод, что увеличивает потерю ими кислорода и др. процессы из-за теплового загрязнения. Совместно с накоплением биогенных веществ это создает условия для зарастания водоемов и интенсивного развития водорослей, в т.ч. и синезеленых (цианобактерий) – ядовитых. В связи с этим резко снижается способность к самоочищению вод. Это вызывает гибель обитателей, рост заболеваемости рыб, нарушаются пути миграции рыб, разрушаются кормовые угодия, нерестилища. Волга во многом потеряла свое значение как нерестилище для осетровых Каспия после строительства на ней каскада ГЭС.

Кроме биогенных веществ происходит аккумуляция в речных системах тяжелых металлов, радиоактивных элементов и ядохимикатов с длительным периодом жизни, что создает проблемы использования территорий после ликвидации водохранилищ. В результате заиления равнинные водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50 – 100 лет после их строительства. Например, по прогнозам большая Асуанская плотина, построенная на реке Нил в 60-е годы, будет наполовину заилена уже к 2025 году.

Доля гидроресурсов, даже несмотря на их относительную дешевизну, постепенно снижается в энергобалансе. Считается, что в перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5 % от общей (уже исчерпаны наиболее дешевые ресурсы, большая территориальная емкость равнинных водохранилищ).

Водохранилища заметно влияют на атмосферные процессы (например, в засушливых районах испарение с поверхности водохранилищ превышает испарение с поверхности суши в десятки раз).

С повышенным испарением связано понижение температуры воздуха, увеличение туманных явлений, и, как следствие, изменение климата.

Издержки гидростроительства меньше в горных районах, где водохранилища обычно невелики. Однако в сейсмоопасных горных районах они могут провоцировать землетрясения, увеличивать вероятность оползней и катастроф при возможном разрушении плотин.

2.13.4. Ядерная энергетика

На втором месте по значению в энергоресурсах техносферы стоит ядерное топливо, главный источник которого — ископаемый уран. Большая часть урана в литосфере сильно рассеяна.

По данным Мировой энергетической конференции (МИРЭК), общие геологические рудные запасы урана составляют 20,4 млн т, в том числе разведанные — 3,3 млн т. Содержание урана в породах большинства месторождений, имеющих перспективное коммерческое значение, колеблется от 0,001 до 0,03 %. Поэтому приходится производить значительное рудное обогащение. Природный уран на 99,3 % состоит из изотопа U-238 и содержит только 0,7 % изотопа U-235, в котором возможна самопроизвольная цепная реакция. Для промышленных целей производят изотопное обогащение ура­на с доведением содержания U-235 до 3 %. Такой уран используется в большинстве современных реак­торов.

При расходовании 1 кг урана в активной зоне реактора выде­ляется в зависимости от физических условий до 65 ТДж (65 Тера Дж = 65×10¹² Дж) теплоты. Это соответствует сжиганию 2300 т угля. Если в качестве перспек­тивного ресурса принять разведанные запасы, то общее количест­во энергии, которое можно получить в реакторах на тепловых нейтронах, составит около 1000 ЭДж = 1000×10 ¹⁸ Дж/год. Для реакторов - размножите­лей на быстрых нейтронах, использующих реакцию деления U-238 и нарабатывающих плутоний, этот потенциал может возрасти до 140000 ЭДж и в 2,5 раза превысит сумму разведанных запасов ор­ганических топлив. Но значительная часть этого ресурса уже переведена в оружейный плутоний. Кумулятивное потребление урана всеми стра­нами за 50 лет приблизилось к 1,5 млн т. Для этого понадобилось переработать не менее 10 млрд т горной массы.

В настоящее время в 32 странах мира работает 434 реактора АЭС с суммарной тепловой мощностью около 1200 ГВт(ГигаВт)=1200×10⁹ Вт. Они потребляют за год около 60 тыс. т урана, а их доля в общем техногенном выделении теплоты от использования невозобновимых энергоресурсов составляет 10 %.

Перспективы использования энергии ядерных реакций связаны как с относительно большими запасами ядерного топлива, так и с щадящим воздействием на среду. К преимуществам относится возможность строительства АЭС, не привязываясь к месторождениям ресурсов, поскольку их транспортировка не требует существенных затрат в связи с малыми объемами. 0,5 кг ядерного топлива позволяет получать столько же энергии, сколько сжигание 1000 т каменного угля.

До середины 80-х годов человечество в ядерной энергетике видело один из выходов из энергетического тупика. Только за 20 лет (с середины 60-х до середины 80-х гг.) мировая доля энергии, получаемой на АЭС возросла до 15 – 17 %, а в ряде стран стала превалирующей. Ни один другой вид энергетики не имел таких темпов роста.

До недавнего времени основные экологические проблемы АЭС связывались с захоронением отработанного топлива, а также с ликвидацией самих АЭС после окончания допустимых сроков эксплуатации (около 30 лет) Имеются данные, что стоимость таких ликвидационных работ составляет от 1/6 до 1/3 от стоимости самих АЭС. В последнее время предпринимают меры по увеличению ресурса работы энергоблоков первого поколения до 35 - 40 лет, второго поколения - до 50 лет, построенных и введенных в эксплуатацию с 1971 по 1993 гг.).

При нормальной работе АЭС выбросы радиоактивных элементов в среду крайне незначительны. В среднем они в 2-4 раза меньше, чем от ТЭС одинаковой мощности.

К маю 1986 г. 400 энергоблоков работавших в мире и дававших более 17 % электроэнергии, увеличили природный фон радиоактивности не более чем на 0,02 %. До Чернобыльской катастрофы в нашей стране никакая отрасль производства не имела меньшего уровня производственного травматизма, чем АЭС. За 30 лет до трагедии при авариях, по нерадиационным причинам погибло 17 человек. После 1986 г. главную экологическую опасность АЭС стали связывать с возможностью аварий. Хотя вероятность их на современных АЭС невелика, но она и не исключается (по последним оценкам вероятность аварии ~ 10 ^-3 - 10^-5 в год.

К наиболее крупным авариям такого плана относится случившаяся на 4 блоке Чернобыльской АЭС (ЧАЭС). Суммарный выброс продуктов деления в реакторе составил от 3,5 % (63 кг) до 28 % (50 т). Бомба, сброшенная на Хиросиму, дала только 740 г радиоактивного вещества.

Радиоактивное загрязнение территории в радиусе более 2 тыс. км, охвачено более 20 государств. В пределах бывшего СССР это 11 областей (17 млн. человек). Общая площадь загрязненных территорий 8 млн га. Наиболее сильно загрязнены Брянская, Калужская, Тульская, Орловская обл., пятна загрязнений – Белгородская, Рязанская, Смоленская, Ленинградская и др.). В результате аварии погиб 31 человек, более 200 человек – лучевая болезнь. 115 тыс. человек эвакуировано из наиболее опасной 30 км зоны сразу после аварии.

После аварии на ЧАЭС отдельные страны приняли решение о полном запрете на строительство АЭС (Швеция, Италия, Бразилия, Мексика). Швеция намеревалась демонтировать все 12 действующих реакторов, дававших 45 % электроэнергии страны. Резко замедлились темпы развития ядерной энергетики в других странах.

Однако в этот же период были приняты меры по усилению защиты от аварий существующих, строящихся и планируемых к строительству АЭС.

Вместо реакторов РБМК (энергоблоков с канальными кипящими реакторами на тепловых (медленных) нейтронах), перешли к более широкому использованию водо-водяных реакторов под давлением ВВЭР, имеющих большую степень безопасности при внештатных ситуациях и кроме активной еще и пассивную систему защиты, а также реакторов на быстрых нейтронах БН, охлаждаемых натрием. Применение в реакторах БН уран-плутониевого топлива позволяет не только использовать энергетические запасы плутония, но и утилизировать оружейный плутоний, а также “сжигать” долгоживущие изотопы (актиниды) из облученного топлива ядерных реакторов.

Пришло осознание того, что без атомной энергетики на современном этапе не обойтись, поэтому строительство и ввод в строй новых АЭС постепенно увеличиваются. В настоящее время в мире действует более 500 атомных реакторов. Около 100 реакторов строится.

На территории России – 9 АЭС с 29 реакторами установленной мощности 21,2 ГВт. Из них 22 реактора приходится на наиболее населенную часть страны. Централизованное государственное управление 8-ю АЭС с 25 энергоблоками осуществляет Росэнергоатом, из них 11 энергоблоков с реакторами типа РБМК (разрушенный на ЧАЭС реактор был этого типа), 13 реакторов ВВЭР, в том числе 7 реакторов типа ВВЭР-1000, 6 реакторов ВВЭР-440, 4 реактора типа ЭГП-6, 1 энергоблок с реактором на быстрых нейтронах БН-600. Доля АЭС во всей вырабатываемой электроэнергии в России составляет 15 % и распределяется следующим образом: в европейской части - 28 % от всей электроэнергии, в северо-западной части - 45 %. Намечается расширение действующих АЭС: Калининской (3-го, 4-го блоков), Балаковской (5-го и 6-го блоков), Ростовской – (2-го блока), Курской (5-го блока). Начинается строительство Башкирской (планируется пуск в 2011 г.) и Архангельской АЭС.

Много реакторов в настоящее время, по количеству больше, чем на АЭС, установлено на подводных лодках, ледоколах и на космических объектах.

Себестоимость производства электроэнергии на ветроэлектростанции примерно в 23 раза выше, чем на АЭС. Затраты труда на выработку 1000 МВт/ч оцениваются для солнечной электростанции в 10-40 тысяч человеко-часов, для тепловой электростанции на органическом топливе - в 200-500 человеко-часов, для атомной электростанции - не более 200 человеко-часов. В США стоимость электроэнергии, производимой различными энергоносителями составляет (цент/ кВт×час): АЭС – 1,9, уголь – 3,42, мазут – 4,14, для АЭС во Франции – 1 цент/кВт×час, Германии – 2,5, Великобритании – 3,3. Сравнение ТЭС и АЭС по воздействию на окружающую среду приведено в табл. 2.6.

Ученые Великобритании подсчитали, что при выработке энергии, которую потребит за свою жизнь средний англичанин, если использовать уголь, то в отходах окажется до 20 м³ высокорадиоактивной токсичной золы. При производстве такого же количества энергии на АЭС отходов будет немногим более 20 л, из них высокорадиоактивных всего 0,14 л.

Таблица 2.6

Сравнение АЭС (реакторы на тепловых нейтронах) и ТЭС

по расходу топлива и воздействию на окружающую среду

(мощность электростанций 1000 МВт, работа в течение года)

Факторы воздействия на среду	ТЭС	АЭС
Топливо	3,5 млн т угля	1,5 т урана или 1000 т урановой руды
Загрязнители:
Углекислый газ	10 млн т	-
Окись углерода	500 т	-
Сернистый ангидрид и другие соединения	138 - 400 тыс. т	-
Окислы азота	21 тыс. т	-
Зола	100 тыс. т	-
Зольная пыль	4,5 тыс. т	-
Радиоактивные вещества	-	2 т
Выделение теплоты 65×109 кДж при сжигании	2300 т угля	1 кг урана
Объем подогретых вод, км3	1,5	3 - 3,5
КПД	35 – 40 %	30 – 31 %

По степени экологическо­го риска влияние электрических станций различных типов можно сопоставить в условных единицах: тепловые электростанции на угольном топливе - 250 единиц, ветро-электростанции - 70 единиц, солнечные электростанции - 60 единиц, гидроэлектростан­ции - 5 единиц, атомные элек­тростанции - 1,5 единицы.

Радиоактивный фон элек­тростанции на угольном топ­ливе в 20-километровой зоне доходит до 0,6 мбэр/год, это примерно в 20 раз больше, чем для атомной электростан­ции той же мощности в нормальном режиме работы. Бе­зопасная же доза радиоактивно­сти для населения по санитар­ным нормам - 0,5 бэр в год.

Неизбежный результат работы АЭС – тепловое загрязнение вод. На единицу получаемой энергии здесь оно в 2 – 2,5 раза выше, чем на ТЭС, где больше тепла отводится в атмосферу. Следствием больших потерь тепла на АЭС является более низкий КПД по сравнению с ТЭС.

Виды воздействия АЭС на среду:

1. Разрушение экосистем и их элементов (почв, грунтов, водоносных структур и т.п.) в местах добычи руд (особенно при открытом способе);

2. Изъятие земель под строительство самих АЭС.

Особенно значительные территории отчуждаются под строительство сооружений для подачи, отвода и охлаждения подогретых вод. Для электростанции мощностью 1000 МВт требуется пруд-охладитель площадью около 800 – 900 га. Пруды могут заменяться гигантскими градирнями с диаметром у основания 100 – 120 м и высотой, равной 40-этажному зданию.

3. Изъятие значительных объемов вод из различных источников и сброс подогретых вод. Если эти воды попадают в реки и др. источники, в них наблюдается потеря кислорода, увеличивается вероятность цветения, возрастают явления теплового стресса у гидробионтов.

4. Не исключено радиоактивное загрязнение атмосферы, вод и почв в процессе добычи и транспортировки сырья, а также при работе АЭС, складировании и переработке отходов, их захоронениях.

Задача обеспечения гарантиро­ванной безопасности населе­ния и окружающей среды в настоящее время ре­шается через реализацию концеп­ции создания ядерного энер­гетического реактора с внут­ренне присущей безопаснос­тью в сочетании с пассивными системами безопасности.

Создаваемые сейчас ядерные энергетические реакторы по­вышенной безопасности в ситуации, аналогичной чер­нобыльской, безопасны. За­ложенная в них концепция внутренней самозащищенно­сти обеспечивает неуязви­мость реактора к ошибкам персонала, отказам и дефек­там оборудования. При возникнове­нии каких-либо причин, про­воцирующих самопроизволь­ный разгон мощности, про­исходит самоглушение реак­тора вплоть до полного оста­нова мощностного эффекта.

При реализации концеп­ции внутренней самозащи­щенности внедрены такие новые качества, как самоцир­куляция теплоносителя (воды) в реакторе и самоох­лаждение активной зоны. Это - пассивные системы безо­пасности, функционирование которых не зависит ни от ка­ких внешних факторов. На­личие таких систем исключа­ет вероятность возникнове­ния наиболее опасных ава­рийных ситуаций с расплав­лением активной зоны.

Одна из стратегических линий развития атомной энергетики в России в настоящее время - создание АЭС с естественной безопасностью.

Это означает переход к новейшей разработке, обеспечивающей качественно новый уровень безопасности - реактору на быстрых нейтронах с охлаждением жидким свинцом БРЕСТ- ОД – 300, работающему на смешанном нитридном уран-плутониевом топливе.

Свинец, используемый в реакторе как теплоноситель, не вступает во взаимодействие с водой и воздухом, не горюч, радиационно стоек, слабо активируем.

Реактор способен за один цикл работы сжигать до 80 кг как “собственных” долгоживущих изотопов, так и полученных из ОЯТ реакторов на тепловых нейтронах. Демонстрационный блок планируется создать к 2010 г.

В процессе ядерных реакций выгорает лишь 0,5 – 1,5 % уранового ядерного топлива. Ядерный реактор мощностью 1000 МВт, работающий на изотопе урана U-235 за год работы дает 60 т радиоактивных отходов. Часть из них перерабатывается, а основная масса требует захоронения, технология которого сложна и дорогостояща. Одна из этих технологий: облученное ядерное топливо (ОЯТ) перегружается в бассейны выдержки, где за несколько лет существенно снижается радиоактивность и тепловыделение. Захоронение обычно проводится на глубинах не менее 500 – 600 м в шурфах, расположенных на расстоянии, исключающем возможность атомных реакций.

США не приняли окончательного решения об облученном ядерном топливе (ОЯТ) и продолжают хранить его в режиме временного хранения. Япония, Франция и Великобритания избрали путь замкнутого ядерного топливного цикла, которого придерживается в настоящее время и Россия и Китай. Путь создания замкнутого топливного цикла известен — внедрение реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством вторичного ядерно­го горючего — плутония, что позво­ляет существенно повысить коэффици­ент использования природного урана и обеспечить долгосрочное развитие атомной энергетики.

Переработка отходов по замкнутому ядерному топливному циклу сводится к разделению и концентрации повторно используемых изотопов, составляющих 97 - 98 % ОЯТ и выделению настоящих отходов в количестве 2-3 % от объема ОЯТ в возможно малом объеме и получении твердых отходов. Предполагается создавать реакторы и схемы переработки ОЯТ на основе отказа от накопления в хранилищах и включения плутония, очищенного от высокорадиоактивных осколков деления, в состав облучаемого и рециклируемого топлива энергетических реакторов, т.е возвращать плутоний в ядерный топливный цикл, в том числе и уже накопленные запасы.

Хотя планы широкого развития энергетики с реакторами на быстрых нейтронах не были осуществлены, в Рос­сии продолжает работать завод по пе­реработке ядерного топлива, отработав­шего в коммерческих реакторах (ВВЭР440) и транспортных ядерных энергети­ческих установках. На этом заводе ра­диохимическим способом выделяют так называемый «энергетический» плутоний, которого к настоящему времени нако­пилось уже более 30 тонн.

Однако в ближайшей перспективе в России не предусматривается строи­тельство значительного количества ре­акторов на быстрых нейтронах, в кото­рых можно очень быстро и эффективно «сжечь» накопившийся плутоний. В на­шей стране также отсутствует и про­мышленное производство уран-плуто­ниевого топлива (по терминологии, при­нятой в мире, — МОХ-топливо) как для быстрых реакторов, так и для тепловых. Это не позволяет получить лицензию на использование МОХ-топлива в действу­ющих реакторах на тепловых нейтронах — ВВЭР-1000. Хранение же накопивше­гося плутония экономически невыгод­но, поскольку требует значительных зат­рат. Наиболее приемлемая альтернати­ва в сложившейся ситуации — быстрое строительство завода для изготовления МОХ-топлива и применение его в дей­ствующих реакторах ВВЭР-1000.

Десятки энергетических реакторов в европейских странах – Франции, Бельгии, Германии, Швейцарии, Англии, Японии работают на смешанном уран-плутониевом оксидном топливе (МОХ (“MOКС”)– топливе), лицензии на использование МОХ – топлива на АЭС есть в США. В РФ отсутствует промышленное производство МОХ – топлива как для быстрых реакторов, так и для тепловых. МОХ-топливо можно было бы использовать в действующих реакторах ВВЭР-1000.

В топливе, которое в настоящее время эксплуатируется в реакторах ВВЭР-1000 используется диоксид урана с содержанием делящегося изотопа U-235 около 3,5 – 4 %. Содержание диоксида плутония в МОХ-топливе, в зависимости от его происхождения (оружейный или энергетический) составляет 4,5 – 6 % (остальное диоксид обедненного урана). По ресурсным показателям и показателям безопасности МОХ-топливо практически не отличается от уранового. Можно сказать, что все используемое сегодня топливо в реакторах всех типов является, по сути, МОХ-топливом. Ведь при размещении самой обычной урановой топливной сборки в активную зону в ней под воз­действием нейтронного потока проис­ходит процесс ядерной трансмутации с получением плутония. В результате после полутора-двух лет эк­сплуатации обычное урановое топливо по всем показателям практически не отличается от МОХ-топлива.

Россия накопила достаточно боль­шой опыт использования МОХ-топлива в атомной энергетике: несколько десят­ков топливных сборок были установле­ны в реактор БН-600 на Белоярской АЭС. Но, в отличие от реакторов на теп­ловых нейтронах, в МОХ-топливе для быстрых реакторов содержится около 20 % плутония. А создание промышлен­ного производства смешанного уран-плутониевого топлива с концентраци­ей последнего на уровне 4,5 - 5,5 % пока остается проблемной задачей.

Чтобы ускорить решение проблемы по созданию МОХ-топлива для АЭС с реакторами ВВЭР, было начато сотруд­ничество с французским Комиссариа­том по атомной энергии, фирмой “Кожема” и немецкой фирмой “Сименс”. Сотрудничество предусматривает стро­ительство в России специального заво­да на основе оборудования и техноло­гии, которые используются сейчас во Франции и Германии с учетом российских разработок. Предполагается, что производимое на заводе топливо бу­дет использовано на АЭС с реакторами ВВЭР-1000, и в первую очередь на Балаковской, а в перспективе - на Кали­нинской и Нововоронежской АЭС.

ª Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под природными ресурсами?

2. В чем отличие исчерпаемых ресурсов от неисчерпаемых?

3. Как меняются энергетические потребности производства и какими энергоресурсами они обеспечиваются?

4. Назовите основные воздействия ТЭС, ГЭС и АЭС на окружающую среду.

5. Какие решения проблемы исчерпания уранового топлива и переработки радиоактивных отходов предлагаются?

6. Сравните ТЭС, ветроэлектростанции и АЭС по воздействию на окружающую среду?