Аварии на ядерных объектах и радиоактивность атмосферы

Существенными источниками ИРН в атмосфере являются аварии на  ядерных объектах, которые случались не раз.

Одной из первых произошла авария на военном объекте в г. Кыштыме, расположенном в 100 км от города Челябинска 29 сентября 1957 г.. Здесь  в 16 ч 20 мин по местному времени произошел химический взрыв контейнера, содержащего 250 м³ высокоактивных отходов от производства плутония.

Взрыв был вызван возгоранием ацетат-нитратного концентрата, которое произошло в результате неполадок в системе охлаждения контейнера. При взрыве в  атмосферу было выброшено 7,4 · 10¹⁷ Бк радиоактивных веществ. Большая часть продуктов выброса (~ 90 %) осела на поверхность земли вблизи места взрыва, однако наиболее мелкие частицы, содержащие примерно 10 % ИРН, образовали факел, вынесший их на высоту около 1 км. Радиоактивное облако перемещалось в направлении города Каменск-Уральский, образуя широкий след выпавших радионуклидов.

Основная часть активности (около 60 %) выброса была обусловлена присутствием в нем 144Се (период полураспада (пп)=284,3 сут.) и 144Pr (пп=17,28 мин). Кроме того, в нем содержалось более 20 % 95Zr (пп=63,28 сут.) + 95Nb (пп=35,15 сут.), более 5 % 90Sr (=29,12 лет) + 90Y, около 3 % 106Ru (пп=368,2 сут.), 206Rn (пп=29,9 с) и 0,03 % 137Cs (пп=30,0 лет). Сообщалось также о наличии в выбросах 89Sr (пп=78,43 ч), 147 Pm (пп=2,623 лет), 155Eu (пп=4,96 лет) и изотопов плутония [8].

В течение первого года после взрыва основным источником активности для биологических объектов были 144Се и 144Pr, а главным длительно действующим фактором облучения, представляющим серьезную опасность, — (90Sr+ 90Y). Выпадение практически всего радиоактивного вещества из облака произошло в течение 11 ч вдоль трассы длиной около 300 км от Кыштыма, что привело к загрязнению площади, которая достигла более 20000 км² [10, 11].

В течение первых 10 суток после аварии были приняты экстренные меры по эвакуации населения из четырех деревень (1154 чел.) с территорий, где уровень загрязненности превышал 3,7 · 10⁷ Бк/м² по 90Sr. Еще 9580 жителей из зон с более низкими уровнями загрязнения были переселены в течение последующих 250–670 суток. Всего было эвакуировано около 11 тысяч человек с территории площадью 700 км², на которой уровень радиации превышал 7,4 · 10⁴–14,8 · 10⁴ Бк/м² по 90Sr. Доза внешнего облучения, полученная людьми до их эвакуации, достигала 0,17 Зв, а эффективная эквивалентная доза — 0,52 Зв. Однако ряд исследователей считают, что из-за неравномерности плотности загрязнения, в некоторых случаях максимальная поглощенная доза могла быть в два раза больше [5, 7, 8].

В первую весну после аварии (1958 г.) в результате вертикальной почвенной миграции большая доля радиоактивности (90–95 %) была сосредоточена в дерновом слое, 0,5–1,5 % — в растениях и 5–10 % — в минеральной части почвы. Через 6–12 лет после загрязнения резко ускорился рост накопления 90Sr в травянистых растениях, связанный с естественным вертикальным перемещением его из дернового слоя в минеральную часть разреза почвы, т. е. усвоение стронция корневой системой стало более существенным. Этот процесс привел к выносу из почвы через растения более 95 % 90Sr, что значительно больше, чем наблюдалось в первый год после аварии, когда вынос составлял всего 10–20 %.

В связи с аварией наблюдались последствия радиационного повреждения древесины и травянистой растительности, которые зависели от полученной дозы [11]. Все сосновые деревья на площади 20 км², получившие для игл дозу более 30–40 Гр, погибли к осени 1959 г. Полученные дозы (до 200 Гр) вызвали гибель травянистых растений на площади около 5 км². Последствия облучения диких животных, как результат уменьшения их поголовья, не были установлены, поскольку часть погибших спонтанно заменялась за счет их естественной миграции. Часть сельскохозяйственных животных погибла с признаками острой лучевой болезни в течение первых 9–12 суток на территории, приближенной к месту аварии. В более удаленных местах падеж скота за шестимесячный период не наблюдался.

Содержание радионуклидов в речной воде сразу после аварии возросло в 2,8 · 10⁴ раз. Однако радиоактивный распад, абсорбция донными осадками и естественная миграция привели к значительному снижению уровня загрязненности в 1958 г.: в реках — в 150 раз, в озерах — в 20 раз. За 25-летний срок после аварии концентрация 90Sr в озерной воде снизилась в 30 раз, в рыбе — в 35 раз. При этом период полувыведения 90Sr в озерной воде колебался в пределах от 2 до 5,1 лет. За осенне-зимний период 1957/58 г. в наиболее загрязненных озерах рыба, планктон и беспозвоночные получили дозы до 40 Гр. При этом заметное экологическое воздействие ионизирующего излучения не отмечалось, кроме того, что в течение нескольких лет наблюдалось снижение воспроизводства травоядных рыб (например карпа и карася), поскольку летальный уровень для икры этих рыб составляет 10 Гр.

Мероприятия по борьбе с последствиями аварии включали в себя: контроль за использованием загрязненных территорий, дезактивацию части сельскохозяйственных земель, мониторинг сельхозпродукции (браковалась часть урожая, в которой принятые уровни загрязненности были превышены).

В 1958–1959 гг. было перепахано около 200 км² земель в начальной части следа, а в 1960–1961 гг. осуществлена глубокая вспашка (на глубину 0,5 м) наиболее загрязненной территории площадью 62 км² [12, 13]. Принимались меры по гидрологической изоляции и отводу водостоков. Однако наиболее загрязненная территория площадью 170 км² была, тем не менее, непригодной для проживания людей и ведения сельского хозяйства и была оставлена для исследовательских целей (радиологический заповедник). Жители зоны, где уровни загрязнения поддавались измерению (за пределами наиболее загрязненной зоны), получили, согласно оценкам, эффективную дозу, превышающую на 1–10 % ту, которая обусловлена естественным радиационным фоном за 30 лет, предшествовавших аварии.

Первая авария на работающем ядерном реакторе, вызвавшая значительный выброс радиоактивного материала [14-16] произошла произошла 10 октября 1957 г. в Уиндскейле (Великобритания). Реактор, с графитовым замедлителем и воздушным охлаждением, был предназначен для производства оружейного плутония. Авария на нем явилась следствием перегрева части активной зоны. Из-за высокой температуры произошло окисление урана и затем возгорание графита, что затронуло 150 топливных каналов. Поскольку попытка погасить огонь с помощью СО2 не имела успеха, 11 октября внутрь зоны была подана вода, и в течение последующих суток активную зону удалось остудить.Выброс пара и радиоактивных продуктов в атмосферу продолжался в течение приблизительно 24 часов через сбросовую трубу высотой 125 м. В основном это были радиоактивный нуклид 133Хе (1,2 · 10¹⁶ Бк) и летучие элементы 131I (7,4 · 10¹⁴ Бк), 137Cs (2,2 · 10¹³ Бк), 10Ро (8,8 · 10¹² Бк), 106Ru (3 · 10¹² Бк), 90Sr (7 · 10¹⁰ Бк), 89Sr (3 · 10¹² Бк), 132Te (4,4 · 10¹⁴ Бк) и 235Pu (1,6 · 10⁹ Бк) [11]. Было также обнаружено небольшое количество частиц рассеянного оксида урана[12]. Радиоактивное облако после аварии двигалось в восточном направлении и было зафиксировано в Моле (Бельгия), во Франкфурте (Германия) и Суле (Норвегия).

Выпадения иода 131I отмечались в северной и южной частях территории Англии, которые были наиболее ощутимы возвышенных участках [14, 15]. Крупные радиоактивные частицы, размером от 20 до 500 мкм, выпадали  на расстоянии 4 км к юго-юго-востоку от места аварии и имели β-активность от 37 до 4,81 · 10³ Бк для одной частицы. Установлено, что на расстоянии 3,2 и 12,8 км к юго-востоку от Уиндскейла содержание 90Sr на 1 г кальция в картофеле составило 4,81 и 0,93 Бк, в турнепсе 5,55 и 1,48 Бк соответственно, что какой либо опасности для людей не представляло.

Следующая, уже более серьезная авария произошла 28 марта 1979 г. на АЭС Тримайл-Айленд (шт. Пенсильвания, США) [17], где функционировал  реактор мощностью 900 МВт с водяным охлаждением под давлением. Авария  на нем произошла из-за  частичной потери охладителя, вызванной нарушениями в работе оборудования и ошибки оператора.

Все началось со спонтанного отключения водяных насосов, подающих воду для парогенераторов, что привело к  автоматическому  отключению паровой турбины, генератора и реактора. Повышение температуры и давления в зоне реактора из-за тепловыделения, обусловленного распадом продуктов деления, вызвало автоматическое открытие перепускного клапана для сброса избыточного давления.

В положенное время клапан закрылся, и давление воды в зоне стало падать. Это вызвало автоматическое включение трех резервных насосов по закачке охлаждающей воды. Однако два насоса из трех из-за того, что клапаны оставались нештатно закрытыми, воду в зону реактора не подавали, и количество воды в зоне по-прежнему уменьшалось. Тогда для обеспечения охлаждения системы автоматически включились нагнетающие насосы высокого давления, но операторы отключили их, не зная о продолжающемся вытекании воды через перепускной клапан сброса давления.

В результате температура в зоне реактора достигла 2273 К, что привело к повреждению конструкции и плавлению 50 % топлива. Только через два часа после начала аварии было обнаружено, что перепускной клапан сброса давления открыт и вода из зоны стекает в резервную емкость, находящуюся во вспомогательном помещении.

Утечку охладителя остановили путем закрытия управляемого вручную запорного клапана и повторного включения нагнетательных насосов высокого давления. Этими действиями удалось быстро остудить активную зону. Плавление части активной зоны реактора привело к проникновению продуктов распада в неразрушенный корпус реактора и в систему охлаждения. Было выброшено порядка 10¹⁷ Бк радиоактивности, состоящей в основном из благородных газов 133Хе, 133mХе и 136Хе.

          Еще одна авария произошла в в 1981 г. в атомном центре Кап-де-ла-Аг, расположеном на нормандском побережье Франции, где производилась  переработки отработанного топлива с промышленных газографитовых и легководных реакторов. [12, 13]. Аварийная ситуация, приведшая к нештатному выбросу радиоактивности в атмосферу возникла., когда произошло возгорание твердых отходов в бункере для их хранения. В результате испарения и последующего охлаждения радиоактивными отходами была заражена большая часть территории Кап-де-ла-Аг. Местами уровень радиации был очень высоким. Например, в медицинском центре комплекса, в 200 м от главной дороги, уровень радиации был в 10 раз выше предельно допустимого на территории комплекса [18].

Наиболее серьезная ядерная авария в истории человечества произошла 26 апреля 1986 г. на реакторе четвертого блока Чернобыльской АЭС, расположенной на Украине [12, 13]. Она произошла на  реакторе типа РБМК (реактор большой мощности канальный) с графитовым замедлителем и охлаждением обычной водой.

Во время операции по снижению мощности реактора до требуемых 700–1000 МВт (с целью выяснения возможности получения энергии от турбогенератора в ограниченный период времени, в случае прекращения ее поступления от внешних источников) было допущено несколько грубых ошибок оператора.

Во-первых, были отключены все встроенные системы обеспечения безопасности, и мощность реактора была снижена до 30 МВт. Для повышения мощности до 200 МВт контрольные стержни были выведены из реактора с превышением пределов безопасности.

Конструктивные несовершенства РБМК, при режимах низкой мощности приводят к быстрому росту плотности потока нейтронов, что вызывает интенсивное парообразование и обусловливает наличие пустот, что, в свою очередь, ведет к дальнейшему увеличению плотности потока нейтронов и выделению большого количества тепла в активной зоне.

При отсутствии воды, которая является теплоносителем и поглотителем нейтронов (при выведенных контрольных стержнях), РБМК имеет положительный коэффициент размножения нейтронов. В результате, за 4 с мощность реактора в 100 раз превысила нормальную. Такое быстрое выделение энергии привело к разрушению твэлов, а последовавшие затем взрывы в зоне сдвинули плиту весом 1000 т, прикрывающую реактор, которая срезала все трубопроводы охлаждения и обнажила его активную зону. Взрывами в атмосферу был выброшен радиоактивный материал, состоящий из отработанного топлива, инертных газов, а также летучих изотопов иода, теллура и цезия. Из-за высокой температуры, произошло возгорание графита, и вместе с СО и СО₂, в атмосферу продолжали улетучиваться радиоактивные продукты деления.

Первичный выброс (ночью 26 апреля) распространялся на Запад на высоте несколько сот м. Днем 26 апреля конвективным потоком радиоактивное облако поднялось на высоту  2-3 км и выше, а факел выброса днем повернул на северо-запад и север. На следующий день облако достигло Скандинавии - здесь были самые большие за пределами СССР выпадающие доли 1*105 Бк /м². В последующие дни выбросы распространялись как на запад - через Польшу на Европу, так на восток и юго-восток в сторону Турции и Греции.

Таким образом, к 30 апреля завершили полный разворот ветра и до середины мая в большей или меньшей мере загрязнение от чернобыльских выпадений распространилось во всем Северном полушарии. Выпадения были крайне неравномерны (в зависимости от количества локально выпавших осадков). За исключением нескольких отдельных территорий, загрязнение от аварии ЧАЭС за пределами СССР было в целом низкое (дозы от этих загрязнений были ниже доз от естественных радионуклидов).

Состав выбросов различался на разных удалениях от места аварии из-за различия в поведении отдельных составляющих выброшенного вещества.

Для остановки продолжающейся цепной реакции деления и подавления выбросов радионуклидов в атмосферу, аварийный реактор был засыпан 5 · 10³-тонным слоем смеси бора, доломита, песка, глины и свинца. Благодаря этим мерам, выбросы сначала существенно снизились, но затем, из-за повышения температуры, связанной с теплоизоляцией активной зоны этой засыпкой, выбросы 1 мая возобновились и продолжались до 5 мая включительно. Выбросы прекратились 6 мая, когда была произведена закачка жидкого азота, как охладителя, через тоннели, срочно сооруженные под активной зоной.

За 10 суток с начала аварии в атмосферу, было выброшено 2 · 10¹⁸ Бк радиоактивного материала, состоящего из продуктов деления и трансурановых радионуклидов, что составляет 3–4 % активности, содержащейся в активной зоне реактора. Состав продуктов деления в выбросах был близок к их составу в топливе с преобладанием благородных газов и летучих радионуклидов.

В атмосферу было выброшено примерно 20 % иода от находящегося в активной зоне (6,7 · 10¹⁷ Бк иода), ~ 1,9 · 10¹⁵ Бк 134Cs, 7 · 10¹⁵ Бк 137Cs и 3 % редкоземельных элементов и актиноидов от содержащихся в зоне на момент аварии. Из рассеянной в атмосферу радиоактивности на месте осело 0,3–0,5 %, в пределах радиуса 20 км выпало 1,5–2 %, а остальное в виде радиоактивного облака достигло Сибири, Центральной Европы, Англии и Скандинавии, на территории которых наблюдалось самое высокое выпадение радиоактивности за пределами СССР (до 1 · 10⁵ Бк/м2).

Радиоактивные продукты аварии на Чернобыльской АЭС регистрировали все метеостанции Арктики. Из глобальных выпадений перед этой аварией наблюдали 137Cs и 90Sr , их средняя концентрация в воздухе составляла примерно 0,09*10^-5 и 0,15*10^-5 Бк/м³ соответственно. После аварии усредненная за май 1986 г. концентрация 137Cs в Заполярье возросла примерно в 300 раз, на Крайнем Севере – в 60 раз.

В мае 1986 г. наибольшие выпадения 137Cs (553 Бк/(м2мес)) наблюдали на Кольском полуострове, наименьшие – 27,5 Бк/(м2мес ) на азиатской части Арктики. Высокая плотность выпадений 137Cs в июне 1986 г. в западной части территории российской Арктики объясняется вторичной ветровой миграцией радиоактивной пыли.

К середине мая, в Гонконге и Северной Америке наблюдались уровни радиоактивности до 1 · 10^–3 Бк/м³. Горячие частицы, содержащие продукты деления, а также топлива, достигли Польши, Греции и Швеции.

Эвакуация 135 тысяч населения была проведена из 30-километровой зоны вокруг АЭС в первые несколько дней.  За пределами этой зоны площадь загрязнения составила 2 · 10⁴ км². При уровне загрязнений территории по 137Cs свыше 1,5 · 10⁶ Бк/м² был наложен запрет на переработку и производство продовольствия.

Был организован сбор и захоронение на территории АЭС обломков топлива, снятие верхнего слоя почвы, дезактивация промплощадки зданий и оборудования, а разрушенный четвертый блок был помещен в бетонный «саркофаг».

Из деревьев наиболее сильно пострадали хвойные и менее — лиственные. Для того чтобы предотвратить смыв выпавшей радиоактивности в водоемы и реки при снеготаянии и во время дождей, была сооружена система защитных и фильтрующих плотин.

Уровень радиоактивного загрязнения воды по 137Cs с июля 1986 г. по май 1987 г. снизился в 20 раз и составил ~ 1 Бк/л. Эффективная коллективная доза облучения населения, эвакуированного из 30-километровой загрязненной зоны, оценена в 1,6 · 10⁴ чел.-Зв. На территории европейской части бывшего СССР эквивалентная коллективная доза находится в пределах 2 · 10⁵–2 · 10⁶ чел.-Зв, в то время как в пределах Европы эта величина составляет 8 · 10⁴ чел.-Зв [12, 19].

Литература

1. Жуковский М. В. Радон: измерение, дозы, оценка риска. - Екатеринбург: ИПЭ, 1997.

2.Микляев П.С. Влияние свойств глинистых пород на эманирование радона/ П.С.Микляев, Т.Б.Петрова, В.К.Власов и др.// Вестник Моск. Ун-та. Сер.2.Химия. -2009. - №50. – с.392-395

3.Камерон И. Ядерные реакторы. М.: Энергоатомиздат, 1987. 320 с.

4. Мащенко Н.П., Мурашко В.А. Радиационное воздействие и радиационная защита населения при ядерных авариях на атомных электростанциях: Учеб. пособие. - К.: Вища шк., 1992.

5. Андрюшин И.А.. Укрощение ядра. Страницы истории ядерного оружия и ядерной инфраструктуры СССР./ И.А.Андрюшин, А.К.Чернышёв, Ю.А.Юдин //— Саров: 2003. - 481 с.

6. Атомная наука и техника СССР/ под редакцией А.М. Петросьянца. – Москва Энегоиздат, 1987. – 309 с.

7. Апплби Л.Дж. Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей   среде.  Радиоэкология  после  Чернобыля / Л. Дж.  Апплби, Л. Девелл, Ю.К.  Мишра и др. Под ред. Ф. Уорнера и Р. Харрисона; Пер. с англ. под ред. А.Г. Рябошапко. //М.: Мир, 1999. 512 с.

8. Nikipelov B.V. Experience in managing the radiological and radioecological consequences of the accidental release of radioactivity which occurred in the Southern Urals in 1957. Paper presented to IAEA. Vienna, Nov. 1989.

9. Medvedev Z.A. Report on Kyshtym Visit and Moscow Seminar. Presentation at SCOPE-RADPATH First Case-study Meeting, 26–30 March 1990, University of Lancaster.

10. Ternovskij I.A., Romanov G.N., Fedorov E.F. at al. radioactive cloud trace formation dynamics after the radiation accident in the South Urals in 1957: Migration processes. Paper presented to IAEA, Vienna, Nov. 1989.

11. Trabalka J.R., Anerbach S.I. One Western perspective of 1957 Soviet nuclear accident. Comparative Assessment of the Environmental Impact of Radionuclides Released during Three Major Accidents: Kyshtym, Windscale and Chernobyl, 41–69. Luxembourg, 1–5 Oct. 1990. Vol. 1. Report EUR 13574.

12. Buldakov L.A., Demin S.N., Kostyuchenko V.A. at al. Medical consequences of the radiation accident in the Southern Urals in 1957. Paper presented to IAEA. Vienna, Nov. 1980.

13. Nuclear Engineering. Windscale // The Committees report. Nucl. Eng. 1957. 2(21). P. 495–49, 510–512.

14. Crick M.J., Linstey G.S. An assessement of the radiological impact of the Windscale reactor fire. Oct. 1957. NRPB-R 135, NRPB, Chilton. 1982.

15.Chamberlain A.C., Dunster H.J. Deposition of radioactivity in north-west England from the accident at Windscale // Nature. 1958. V. 182(4636). P. 629–630.

16.Dunster H.J. at al. District surveys following the Windscale accident. Oct. 1957 // Proc. Second U. N. Conference on Peaceful Uses of Atomic Energy. Geneva: UNO. 1958. V. 15. P. 296–308.

17.Kemeny J.G. Report of the President’s Commission on the Accident at Three Mile Island. Washington, DC: US Government Printing Office, 1979.

18. Pentreath R.Y. Radionuclides in the aquatic environment. In: Haley J.H., Schmidt G.D. and Silini G. (Eds) Radionuclides in the Food Chain, P. 99–119. Springer-Verlag, New York, 1988.

19. Looyd A. Fire at Fresh nuclear plant Leakes radiation // New Sci. 1981. 89 (1236). P. 125.