Реферат: Химия окружающей среды
Ядерные реакторы конструируют так, чтобы предотвратить попадание техногенных радионуклидов в окружающую среду. Но даже при безаварийной работе реакторов в окружающую среду поступают радиоактивный газ криптон (радионуклид 85 Kr), а также небольшие количества 131 I, трития и некоторых других радионуклидов. В результате произошло загрязнение окружающей среды техногенными радионуклидами, особенно такими, как 90 Sr, 137 Cs, 131 I, 129 I, 85 Kr, а также радионуклидами некоторых трансурановых элементов.
Тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, представляющие собой металлические стержни, в которых находится ядерное топливо (3% 235 U), размещаются в активной зоне реактора АЭС. Возможны различные виды цепных реакций деления 235 U (различие в образующихся осколках деления и числе испускаемых нейтронов) такие:
235 U + 1 n 
142 Ba + 91 Kr + 31 n ,
235 U + 1 n 137 Te + 97 Zr + 21 n ,
235 U + 1 n 140 Xe + 94 Sr + 21 n .
Тепло, выделяющееся при делении урана, нагревает воду, протекающую через активную зону и омывающую стержни. Примерно через три года содержание 235 U в тепловыделяющих элементах снижается до 1%, они становятся неэффективными источниками тепла и требуют замены. Каждый год треть тепловыделяющих элементов удаляется из активной зоны и заменяется новыми: для типичной АЭС с мощностью 1000 МВт это означает ежегодное удаление 36 т. тепловыделяющих элементов.
В ходе ядерных реакций тепловыделяющие элементы обогащаются радионуклидами – продуктами деления 235 U , а также (через серию 
-распадов) 239 Pu:
238 U + 1 n 239 U() 239 Np() 239 Pu.
Отработанные тепловыделяющие элементы транспортируются из активной зоны по подводному каналу в хранилища, заполненные водой, где хранятся в стальных пеналах несколько месяцев, пока большинство высокотоксичных радионуклидов (в частности, наиболее опасный 131 I) не распадется. После этого тепловыделяющие элементы направляются на заводы по регенерации топлива, например для получения плутониевых сердечников для ядерных реакторов на быстрых нейтронах или оружейного плутония.
Жидкие отходы ядерных реакторов (в частности, вода первого контура, которая должна обновляться) после переработки (выпаривания) помещают в бетонные хранилища, расположенные на территории АЭС.
Определенное количество радионуклидов при работе АЭС выделяется в воздух. Радиоактивный 135 I (один из главных продуктов распада в работающем реакторе) не накапливается в отработанном ядерном топливе, поскольку его период полураспада составляет всего 6,7 ч, но в результате последующих радиоактивных распадов превращается в радиоактивный газ 135 Xe, активно поглощающий нейтроны и потому препятствующий цепной реакции. Для предотвращения «ксенонового отравления» реактора ксенон удаляют из реактора через высокие трубы АЭС.
На данный момент все существующие и применяемые в мире методы обезвреживания РАО (цементирование, остекловывание, битумирование и др.), а также сжигание твердых РАО в керамических камерах (как на НПО «Радон» в Московской области) неэффективны и представляют значительную опасность для окружающей среды.
К загрязнению атмосферы радионуклидами приводит и работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продуктов их распада, и при сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу. К загрязнению почвы радионуклидами может приводить даже использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье (например, в апатите), которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы и передаются дальше по трофическим цепям.
К загрязнению техногенными радионуклидами океана привело и то, что в некоторых странах высокорадиоактивные отходы ядерно-топливного цикла длительное время сбрасывали в океан в специальных контейнерах (США) или по трубам (Великобритания).
С конца 1950-х гг. по 1992 г. Советским Союзом в Баренцевом и Карском морях были захоронены твердые и жидкие радиоактивные отходы (РАО) суммарной активностью 2,5 млн Ки, в том числе 15 реакторов с атомных подводных лодок (АПЛ), три реактора с ледокола «Ленин» (из них 13 аварийных реакторов АПЛ, в том числе шесть с невыгруженным ядерным топливом). Затопление ядерных реакторов и жидких РАО происходило и на Дальнем Востоке: в Японском и Охотском морях и у берегов Камчатки.
На Южном Урале в Кыштыме расположено ПО «Маяк» (Челябинск-65), где с конца 1940-х гг. производится регенерация отработанного ядерного топлива. До 1951 г. возникающие в ходе переработки жидкие РАО просто сливались в речку Теча. Через сеть рек: Теча–Исеть–Обь – происходил вынос радиоактивных веществ в Карское море и с морскими течениями в другие моря Арктического бассейна. Хотя впоследствии такой сброс был прекращен, спустя более 40 лет концентрация 90 Sr на отдельных участках реки Теча превышала фоновую в 100–1000 раз. С 1952 г. ядерные отходы стали сбрасывать в озеро Карачай (названное техническим водоемом № 3) площадью в 10 км2 . За счет тепла, выделяемого отходами, озеро в конце концов пересохло. Началась засыпка озера грунтом и бетоном; для окончательной засыпки, по расчетам, еще потребуется ~800 тыс. м3 скального грунта при стоимости работ 28 млрд рублей Российской Федерации (в ценах 1997 г.). Однако под озером образовалась «линза», заполненная радионуклидами, суммарная активность которых составляет 120 млн Ки (почти в 2,5 раза выше, чем активность излучения при взрыве 4-го энергоблока ЧАЭС).
В результате всех этих действий некоторые моря, особенно Ирландское и Северное, подверглись заметному радиоактивному загрязнению. Загрязнение Мирового океана может неблагоприятно сказаться прежде всего на жизнедеятельности фитопланктона, от нормального существования которого во многом зависит жизнь на Земле. Поэтому в настоящее время введены строгие ограничения на сброс в океан радиоактивных отходов.
Помимо сброса радиоактивных отходов и проишествий с реакторами АПЛ и АЭС на радиационную обстановку в мире серьезно оказало и испытание ядерного оружия. Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли. В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание. Испытания в атмосфере в СССР были завершены в 1962 г., подземные взрывы на Семипалатинском полигоне - в 1989 г., на Северном полигоне - в 1990 г. Франция и Китай до последнего времени продолжали испытывать ядерное оружие. В 1963г. Англия, США и СССР подписали Договор об ограничении испытаний ядерного оружия, обязывающий не испытывать его в атмосфере, под водой и в космосе. По оценкам во второй половине 20-го века за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.81*1021 Бк продуктов ядерного деления, из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84 %. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы. Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов. Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды.
| Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве. | ||||
| Элемент | Заряд | Период полураспада | Выход на одно деление, % | Активность на 1 Мт, (1015 Бк) |
| Стронций-89 | 38 | 50.5 сут | 2.56 | 590 |
| Стронций-90 | 38 | 28.6 лет | 3.5 | 3.9 |
| Цирконий-95 | 40 | 64 сут | 5.07 | 920 |
| Рутений-103 | 44 | 39.5 сут | 5.2 | 1500 |
| Рутений-106 | 44 | 368 сут | 2.44 | 78 |
| Иод-131 | 53 | 8 сут | 2.90 | 4200 |
| Цезий-136 | 55 | 13.2 сут | 0.036 | 32 |
| Цезий-137 | 55 | 30.2 лет | 5.57 | 5.9 |
| Барий-140 | 56 | 12.8 сут | 5.18 | 4700 |
| Церий-141 | 58 | 32.5 сут | 4.58 | 1600 |
| Церий-144 | 58 | 284 сут | 4.69 | 190 |
| Водород-3 | 1 | 12.3 лет | 0.01 | 2.6 10-2 |
Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность продуктов ядерного деления снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Кроме продуктов ядерного деления радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности ( 3 Н, 14 С, 28 Al, 24 Nа, 56 Mn, 59 Fe, 60 Cо и др.) и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведенной активности при термоядерных взрывах. При ядерных взрывах в атмосфере значительная часть осадков (при наземных взрывах до 50%) выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе примерно месяц, радиоактивные вещества во время этого перемещения постепенно выпадают на Землю. Большая часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу (на высоту 10-15 км), где происходит их глобальное рассеивание и в значительной степени распад. Нераспавшиеся радионуклиды выпадают по всей поверхности Земли.
Если попавший в окружающую среду 239 Pu прочно фиксируется почвами и практически не переходит в пищевые цепи, то такие радионуклиды, как 137 Cs, 131 I и особенно 90 Sr, по различным пищевым цепям могут оказаться в организме человека. Так как некоторые радионуклиды способны концентрироваться в определенных органах человека (например, 90 Sr в костях, а 131 I в щитовидной железе), то их накопление в этих органах может привести к тяжелым заболеваниям..
Авария на Чернобыльской АЭС.
Чернобыльская Атомная Электростанция (ЧАЭС) расположена на севере Украины, в месте впадения реки Припять в Днепр. Строительство начато в 1976 году. Всего было построено 4 блока по 1000 МВт каждый. Для ЧАЭС в качестве базового был принят энергоблок с реактором РБМК-1000 (реактор большой мощности канальный) электрической мощностью 1000 МВт. Авария на четвертом блоке ЧАЭС 26 апреля 1986 года произошла не во время нормального функционирования реактора. Это случилось во время эксперимента по изучению резервов безопасности реактора в различных ситуациях. Эксперимент совпал с плановым гашением реактора и его намечалось проводить при пониженной мощности реактора. Сыграло свою роль и то, что в период испытания была отключена система аварийного охлаждения реактора. В результате грубого нарушения операторами станции правил техники безопастности при проведении эксперемента в 01:23:44 мощность реактора резко увеличилась и примерно в 100 раз превысила проектную. 01:23:45 тепловыделяющие элементы начали разрушаться. В топливных каналах создалось высокое давление. 01:23:49 топливные каналы стали разрушаться. 01:24 последовало два взрыва. Первый - из-за гремучей смеси, образовавшейся в результате разложения водяного пара. Второй был вызван расширением паров топлива. Взрывы выбросили сваи крыши четвертого блока. В реактор проник воздух. Воздух реагировал с графитовыми стержнями (С), образуя оксид углерода II (СО) (
). Этот газ вспыхнул, начался пожар. Предположительно 8 из 140 тонн ядерного топлива, содержащих плутоний и другие чрезвычайно радиоактивные материалы (продукты деления), а также осколки графитового замедлителя, тоже радиоактивные, были выброшены взрывом в атмосферу. Кроме того, большое количество радионуклидов (см. стр.11) были выброшены в атмосферу не только во время взрыва, но и распространялись во время пожара из-за возгорания СО (2СО + О2 
2СО2 ). Были уничтожены барьеры и системы безопасности, защищающие окружающую среду от радионуклидов, содержащихся в облученном топливе, и произошел выброс активности из реактора. Этот выброс на уровне миллионов кюри в сутки, продолжался в течение 10 дней с 26.04.86. по 06.05.86., после чего упал в тысячи раз и в дальнейшем постепенно уменьшался. По характеру протекания процессов разрушения 4-го блока и по масштабам последствий указанная авария имела категорию запроектной и относилась к 7-ому уровню (тяжелые аварии) по международной шкале ядерных событий INES. Три дня мир находился в полном неведении. И только 30 апреля, когда работники шведской АЭС Форсмарк, расположенной на берегу Балтийского моря, зарегистрировали мощное ядерное излучение, исходившее не от их станции, а от пришедшего с востока облака, был дан сигнал тревоги.
До аварии на ЧАЭС в 1986г. самой тяжелой в атомной энергетике считается авария в 1979г. на американской АЭС в Тримайл-Айленд в близи г. Гаррисберга (штат Пенсильвания). Тогда сохранившаяся защитная оболочка реактора предотвратила тяжелые экологические последствия от этой аварии.