Содержание к диссертации
Введение
1 Атомная энергетика России 07
1.1 Актуальность атомной энергетики 07
1.2 Газо-аэрозольные выбросы АЭС 16
1.3 Атмосферные выбросы ТЭС 20
1.4 Оценка экологических рисков АЭС и ТЭС 22
2 Методики исследований 30
2.1 Методика оценки состояния лесных экосистем 30
2.2 Методика измерения радиации на уровне естественного радиационного фона на поверхности Земли 36
2.3 Методика синхронных измерений температуры на местности 46
3 Воздействие Ленинградской АЭС на лесные экосистемы 48
3.1 Ленинградская АЭС 48
3.2 Эффект стимулирования растительности атмосферными выбросами ЛАЭС 51
4 Влияние Курской АЭС на растительность 58
4.1 Курская АЭС 58
4.2 Оценка воздействия атмосферных выбросов Курской АЭС на лесные экосистемы 61
4.3 Оценка влияния водоема-охладителя КАЭС на микроклимат прилегающих территорий 68
5 Воздействие Курской ТЭЦ-1 на лесные экосистемы 78
5.1 Курская ТЭЦ-1 78
5.2 Оценка воздействия атмосферных выбросов Курской ТЭЦ-1 на лесные экосистемы 79
6 Сравнительная оценка воздействия атмосферных выбросов атомной и тепловой электростанций на лесные экосистемы 82
6.1 Фитосанация производственных территорий как фактор оздоровления окружающей среды объектов ядерной энергетики 83
Выводы 84
Список использованных источников 85
- Актуальность атомной энергетики
- Методика оценки состояния лесных экосистем
- Эффект стимулирования растительности атмосферными выбросами ЛАЭС
- Оценка воздействия атмосферных выбросов Курской АЭС на лесные экосистемы
Введение к работе
В настоящее время тепловые электростанции являются основой энергетики России, составляя около 65 % от суммарной мощности электростанций. На сегодняшний день теплоэнергетика России находится в сложном положении. Главной проблемой является моральный и физический износ фондов, который по оценкам экспертов, составляет 60 %, что обусловлено, прежде всего, недостатком инвестиций IV. Реконструкция фондов идет чрезвычайно медленно, что сохраняет высокие тепловые потери (20-30 %)и низкий уровень безопасности /2-4/.
Сейчас предполагается, что производство и отпуск тепла электростанциями увеличится (по сравнению с данными 2000 года) на 11-15 % к 2010 годуй на 30-40% к 2020 году, что существенно ниже прогнозов, которые делались ранее. Это связано с ожидаемой реализацией большого потенциала теплосбережения и изменением технологий- производства ряда теплоемких отраслей промышленности. Для» производства необходимых объемов электроэнергии уже в ближайшие годы .потребуется резко увеличить ввод новых и модернизацию действующих генерирующих мощностей электростанций /5, 6/.
Предлагается также заменить тепловые электростанции на природном газе атомной энергетикой: В случае осуществления планов атомного строительства, в соответствии с Энергетической стратегией 111, снижение потребления газа в общем энергетическом балансе составит к 2020 году 4 % (снижение с 50 % до 46 %). Данное снижение планируется не только за счет увеличения; доли атомной, но и угольной энергетики. Доля атомной энергетики в общем энергобалансе увеличится с 4,5 до 6,4 %, в электрическом -с 16 до 20-25% 111.
Из-за роста цен на нефть и газ в ближайшем будущем может возникнуть ситуация, когда атомные электростанции по соотношению годовых затрат на производство электроэнергии могут стать вполне конкурентоспособными с ТЭС. Поэтому на ближайшее будущее реальной альтернативой атомной энергетике могут быть только тепловые электростанции, работающие на угле. Но и они создают ряд экологических проблем, даже более значимых, чем экологические проблемы АЭС. При сжигании угля образуются такие неразрушающиеся канцерогены как соединения бериллия, кадмия, никеля и хрома. Они могут вызывать в 1000 раз больше смертей, чем ядерные отходы. Оксиды серы и азота, образующиеся при сжигании угля, вызывают кислотные дожди и кислотные отравления. ТЭС кроме токсических веществ выбрасывают в атмосферу и радионуклиды, причем в большем количестве, чем АЭС, работающие в нормальном режиме, если исходить из расчета на 1 кВт-ч выработанной энергии /8/.
Топливные энергоресурсы не бесконечны. В настоящее время «Газпром» предлагает снизить газовую составляющую в электроэнергетике. Как сырье, газ необходим для производства химических удобрений, без него немыслимо развитие черной и цветной металлургии, машиностроения, промышленности строительных материалов. Между тем, за последние пять лет приросты запасов газа (реальная величина запасов» газа в России на начало 2000 года составила 41 трлн. м3) практически сведены к нулю, что привело к уменьшению запасов газа промышленных категорий. Сократилась добыча угля и нефти. Чрезмерная ориентация на потребление газа, запасы которого ограничены и находятся в труднодоступных отдаленных регионах России, ведет к истощению наиболее эффективного энергоресурса. В США, Канаде Италии и Великобритании доля газа в котельно-печном топливе составляет 30 %, а во Франции и Германии - 20 % 191. И хотя в этих странах имеются возможности увеличения газопотребления, оно сдерживается государственными решениями. Между тем, в центральных регионах России доля газопотребления достигает 80-95 % энергобаланса 191. Однако реальные источники нефти и газа переместились в труднодоступные регионы России, в зоны северных морей. Для добычи, транспортировки и геологоразведки газа требуются огромные капиталовложения. Сейчас «Газпром» держится исключительно благодаря инвестиционным вливаниям в развитие Единой системы газоснабжения, которые были произведены в 1980-х годах в СССР. Выход из энергетического тупика большинство специалистов видят в атомной энергетике 191.
Актуальность атомной энергетики
По данным Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) сейчас в 31 стране мира действуют 442 ядерных реактора. На долю ЄША, Франции и Японии приходится 49 % всех АЭС и 57 % всей «ядерной» электроэнергии. Наиболее развита ядерная, энергетика в США (103 реактора), Франции (59);, Японии (54), России (30) и Великобритании (23). В. первую пятерку государств которые большую часть своих потребностей в электроэнергии удовлетворяют за счет АЭС, входят Франция :(76 %),.Словакия (57 %), Бельгия (55%)?шШвеция 50%): По прогнозу МАЕАТЭ к 2020?году в мире появятся; еще: 60 . ядерных электростанций, а производство электроэнергии на АЭС увеличится на.65 % /10, НА.
В настоящее времяі структура энергетики; России! выглядит следующим образом:: газі- 39=%,,мазут - 6 %, уголь - 19%, АЭС - 16 %, F3C - 20 %. В-последниеггоды происходит сокращение доли мазута шгазатувеличение доли атомной энергетики. Развитие атомной энергетики» идет пока медленно; Одной из причин может быть так называемый; «Чернобыльский синдром»; Также продолжаются споры по поводу вероятности аварий реакторов, и их последствий; теплового загрязнения? окружающей среды; огромного водопотребления- 50-м /с народной АЭС мощностью 1000 МВт, т.е. столько же,, сколько потребляет город с населением 5 млн.. человек /8/; приемлемых вариантов захоронения ядерных . отходов; потенциальной; возможности нападения; террористов на АЭС; падения? самолетов: и т.д. Негативное отношение к атомной энергетике переплетается в сознании большой, части людей с враждебным отношением к атомному оружию. Синдром отторжения ядерной энергетики успешно преодолен в Японии и во Франции, чего нельзя сказать о России. На уровень радиофобии и неприятия ядерной энергетики негативно влияют СМИ- и общественные экологические организации. Несмотря на то,.что риск возникновения чрезвычайных ситуаций на ядерных объектах ниже, чем риск возникновения природных катастроф и аварий на химических предприятиях, ядерные технологии постоянно-совершенствуются: создаются новые реакторные системы, исключающие разгерметизацию первого контура и выхода радиоактивности за его пределы; реакторы на быстрых нейтронах; другие технологии. Мнение большинства специалистов-ядерщиков-и экспертов по энергетической" безопасности однозначно: будущее за ядерной энергетикой.
По мере истощения, углеводородного топлива себестоимость газовой энергетики будет возрастать, что приведет к увеличению доли атомной энергетики. По прогнозам, доля,атомной электроэнергии вРоссии к 2020 году должна составить.20-25 % от общего объема. Для осуществления такого роста в ближайшие 12 лет должно быть построено 26 новых энергоблоков /12-14/. Таким образом, мы стоим перед эпохой существенного увеличения доли ядерной технологии в.энергетике /10/.
Bi Российской Федерации эксплуатируются ЗОядерных реакторов на 10 АЭС: Балаковской, Белоярской, Билибинской, Волгодонской, Калининской, Кольской,,Курской; Ленинградской, Нововоронежской и Смоленской.
Ядерные реакторы различают по следующим признакам: энергии нейтронов, вызывающих деление тяжелых ядер; материалу замедлителя в реакторах на тепловых нейтронах; виду и параметрам теплоносителя; конструктивному исполнению и назначению. Из общего количества реакторов, работающих в России, 14 энергоблоков представлены реакторами типа ВВЭР; 11 энергоблоков с реакторами РБМК, 4 энергоблока типа ЭЕГТ Билибинской АТЭЦ с канальными водографитовыми реакторами и 1 энергоблок на быстрых нейтронах БН-600. Общая установленная электрическая мощность всех 30-ти реакторов составляет 22,24 ГВт /15/.
В зависимости от энергии нейтронов все реакторы можно классифицировать на реакторы на быстрых нейтронах (БН), реакторы на тепловых и промежуточных нейтронах. Предполагается, что в будущем получат распространение в основном реакторы БН. Энергия нейтронов, вызывающих деление ядер топлива в реакторах БН, составляет более 0,1 МэВ, а в реакторах на тепловых нейтронах — менее Г эВ1 Концентрация? делящихся нуклидов? в реакторах БН значительно выше, чем: в; реакторах на тепловых нейтронах, что требует использование высокообогащенного топлива. В реакторах на тепловых нейтронах используют обогащенное топливо или природный уран. Объемное тепловыделение в; активной зоне реакторов БН составляет 500-1000 МВт/м3/16-18/.
В- процессе ядерных реакций в активной зоне реакторов БН образуются новые: делящиеся:; изотопы; в; значительном количестве могут воспроизводиться U и PU., Таким образом, в реакторах БН возможно расширенное воспроизводство! вторичного ядерного топлива, т. е. количество воспроизведенного - ядерного топлива превышает количество израсходованного: Bs реакторах на тепловых нейтронах сжигается 235U и воспроизводится; Рш в количестве; значительно меньшем количества сжигаемого топлива; Процесс воспроизводства позволяет увеличивать запасы ядерного топлива/16-18/.
Применяя.; реакторы; на быстрых нейтронах (реакторы-размножители, реакторы-бридеры), можно гораздо полнее использовать; природное, ядерное: горючее: Применительно к. этим реакторам можно рассматривать 239Ріг и 233U как исходное: ядерное: топливо; а Иш Th- как, своего рода, сырье, из которого в\ реакторе1 получается: вторичное ядерное: топливо, то есть- новые порции Ри и U. Таким образом, в реактор-размножитель загружается
ОТО Т О й 010 исходное ядерное топливо ( Рід или U) и атомное сырье ( U или "ТИ). Реактор производит тепловую энергию, преобразуемую на АЗЄ в-электрическую;, и дает вторичное ядерное топливо;. В; одних реакторах расходуемое и воспроизводимое ядерное топливо — 239Ри, в других- 233U /19/.
Важной физической особенностью быстрого реактора является то, что в нем образуется больше нейтронов,: которые могут поглотиться в уране. 238U. Поэтому и процесс образования плутония в; нем идет намного быстрее, чем в любом другом реакторе. В результате за время работы в быстром реакторе накапливается примерно столько плутония, сколько сгорает первоначально загруженного урана U. Если же быстрый реактор загрузить сразу плутониевым топливом в смеси с неделящимся- ураном и, то нового плутония в нем образуется даже больше, чем сгорает в процессе работы. Получается, что быстрый реактор обладает уникальным и очень ценным свойством - он способен воспроизводить ядерное топливо, полностью в процессе своей работы восполняя его выгорание и даже увеличивая массу горючего/19/.
В апреле 1980 года на Белоярской АЭС состоялся пуск коммерческого реактора на быстрых нейтронах БН-600. Белоярская АЭС им. И.В. Курчатова -первенец большой ядерной энергетики СССР. Строительство ее первой очереди было начато в 1958 году, в апреле 1964 года вступил в строй первый энергоблок с водографитовым канальным реактором АМБ-100, а вЛ967 году -второй энергоблок с АМБ-200. В настоящее время эти энергоблоки выработали свой ресурс и выведены из промышленной эксплуатации /19/.
БН-600 - крупнейший в мире работающий энергоблок, с реактором на быстрых нейтронах. Ош успешно эксплуатируется уже более 25 лет и имеет одни из лучших эксплуатационных показателей среди действующих российских энергоблоков. Опыт эксплуатации реактора БН-600 убедительно подтвердил высокую надежность и работоспособность конструкции, быстрого реактора интегрального1 типа с натриевым теплоносителем. Средний коэффициент использования установленной мощности БН-600 за период эксплуатации составил около 75 %. Накопленный положительный опыт эксплуатации реактора БН-600 явился надежной основой для разработки проектов создания следующего поколенияреакторов типаБН/19/.
Проектные решения энергоблока БН-600 послужили основой для создания проекта нового энергоблока с реактором на быстрых нейтронах БН-800. Его тепловая мощность 2100 МВт, электрическая мощность составляет 880 МВт. Строительство этого энергоблока идет в настоящее время на площадке Белоярской АЭС. Реактор БН-800 соответствует лучшим мировым образцам /20/. Эксплуатация реактора БН-800, пуск которого намечен в 2012 году, означает переход к освоению нового этапа развития технологии БН с использованием смешанного уран-плутониевого топлива - естественного топлива для этого вида реакторной технологии.
Методика оценки состояния лесных экосистем
Данная модель (методика), разработанная, в Московском Институте Стали и Сплавов, на Кафедре Теплофизики и экологии металлургического производства, Степановым A.M., изначально предназначалась, для металлургических комбинатов /36-43/. Методика успешно- применена для оценки- воздействия 11 металлургических комбинатов, в том числе для Карабашского и Красноуральского медеплавильных комбинатов, комбинатов «Североникель» и «Печенганикель»; а также для Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) /44-46/. Впервые в данной работе эта методика применена к объектам энергетики — атомной и тепловойэлектростанциям.
В России и за рубежом также ведутся.работы по исследованию, реакций различных структурно-функциональных блоков- лесных экосистем на антропогенную и токсическую нагрузку. Но только данная методика позволила выйти на уровень реакции экосистем как целого на антропогенные воздействия /47/.
В. этом подходе, в качестве эффекта от воздействия токсикантов мы обязаны зарегистрировать показатели, характеризующие всю экосистему. Главное назначение отдельной экосистемы (точнее отдельного биогеоценоза), рассматриваемого нами, состоит в завершении кругооборота всех химических элементов и углерода, т.е. продуцирование и разложение биомассы растений. При этом биосферу мы рассматриваем как сумму биогеоценозов (или же биогеоценоз - как минимальное неделимое биосферы), а соотношение между биогеоценозом и экосистемой принимаем по ТА. Работнову: биогеоценоз -это экосистема в. пределах фитоценоза.
Биогеохимический круговорот веществ осуществляется в биогеоценозе всей совокупностью живых организмов, принадлежащих к трем главным функциональным группам: продуцентам, редуцентам и консументам. В наземных биогеоценозах продуценты состоят в основном из і фотосинтезирующих растений. Поэтому в первом приближении достаточно ! і і ограничиться контролем продукционного процесса, как основного в биогеоценозе, по состоянию которого можно судить о жизнеспособности и степени нарушенности всей системы, т.е. ограничиться регистрацией параметров живой растительности. Деятельность редуцентов в значительной степени связана с разложением подстилки. Ее параметры - запас, скорость разложения1 — являются- важными показателями состояния сообщества почвенных беспозвоночных животных и микроорганизмов и биогеоценоза в целом. Исследование фитоценоза в целом, включая подстилку, — второе, более точное приближение к решению задачи. Третьим, наиболее точным приближением, является комплексный учет всех трех функциональных групп биогеоценоза, при этом, среди животных важнейшим является блок почвенных беспозвоночных /47/.
В- применении к лесным экосистемам, необходимым представляется измерение следующих параметров (рис. 1). В древесном ярусе: запас древесины (м3/га), масса листвы или хвои (ц/га), жизненное состояние древостоя в баллах; в травяно-кустарничковом ярусе: фитомасса (ц/га), общее проективное покрытие (%), число видов в фитоценозе; в северных регионах необходимо оценивать параметры мохово-лишайникового яруса, фиксируя фитомассу, общее проективное покрытие и число видов; в подстилке — масса (ц/га), мощность (см), условное время разложения (годы) или степень разложения хлопчатобумажной ткани (%); в блоке почвенной мезофауны: число экземпляров, биомасса (г/м ) и количество видов. Могут использоваться данные о мелких млекопитающих, почвенных микроартроподах, микроорганизмах и т.д. Важно, чтобы каждый структурный блок экосистем был представлен равным количеством измеренных параметров.
Данный подход также предполагает квазистационарность объекта, т.е. изменения дозы должны быть настолько медленны, чтобы экосистема успела к ним подстроиться (прирастить или снизить биомассу, например). Иными словами, залповые выбросы или резкие изменения дозы типа аварии адекватно не отражаются текущим состоянием экосистемы. Здесь начинают проявляться динамические характеристики системы, инерционность в изменении параметров, скорости собственных колебаний, времена релаксации, периоды полувыведения и т.д., и т.п.; тут будет уже другая модель и другая проблема проблема динамической устойчивости. Именно ограничение квазистационарными состояниями системы позволяет регистрировать биомассы растительности ярусов лесных экосистем, а не продукцию, что существенно проще.
Эффект стимулирования растительности атмосферными выбросами ЛАЭС
Оценка воздействия атмосферных выбросов Курской АЭС на лесные экосистемы
Эффект стимулирования растительности был впервые обнаружен в 1986 году при исследовании воздействия Ленинградской атомной электростанции на природные экосистемы /69/. ЛАЭС расположена в регионе интразональных зеленомошно-кустарничковых соснякові на бедных промытых песчаных почвах южного берега Финского залива. Пробные площади располагались вдоль приморского шоссе и маркировались километражем от Санкт-Петербурга на расстояниях 68; 75; 92; 95; 101; и 116 км. Измеренные параметры представлены в табл. 16 вместе с интегральным коэффициентом сохранности (ИКС), который вычисляется как среднее арифметическое1 всех параметров, каждый из которых нормирован по своему максимальному значению в выборке (100 % или 1). Каждый из« этих параметров отражает процесс постепенной деградации лесных экосистем при движении к центру выбросов, но каждый - в своей специфической1 форме. Необходимо генерализовать эти данные, чтобы получить реакцию всей экосистемы на токсическую нагрузку. Вычислять среднее арифметическое разных по своему физическому значению величин, имеющих к тому же разные единицы измерения, бессмысленно, но если придать им безразмерные значения, то формально можно их объединить. Поэтому нормируемна 100 % максимальное значение каждого из параметров и ранжируем остальные в процентах. Усредняя по пробным площадям полученные безразмерные величины, получим один параметр, получивший название интегрального коэффициента сохранности (ИКС): где А у — значение /-го показателя; Ащ — максимальное значение того же параметра в выборке;/ - номера пробных площадей. Рисунок 4 - Картосхема района работ
Малая величина стимулирующего превышения в 1986 году оставляла сомнения в его достоверности. Поэтому, как только представилась возможность, экспериментальные измерения были повторены в 2005 году, на тех же пробных площадях, но теперь уже по модифицированной методике, то есть с измерением всего двух параметров: общего проективного покрытия травяно-кустарничкового яруса (01111) и жизненного состояния древостоя (ЖСД). Результаты измерений 2005 года приведены в Приложении Б, табл. Б.1-Б.8. Усредненные результаты ОПП, ЖСД и ИКС, приведены в табл. 17. Таблица 17 - Параметры лесных фитоценозов в районе г. Сосновый Бор, 2005 год
Кривые на графике (рис. 5) образованы действием трех факторов. Первый - влияние на состояние леса атмосферных выбросов крупного промышленного центра - общий наклон кривой в сторону Санкт-Петербурга; второй - вытаптывание леса жителями или рекреационная нагрузка - провал в районе города Сосновый Бор (83-93 км) и третий - стимуляция роста лесных сообществ под действием малых доз радиации - небольшой прилив сразу после ЛАЭС, расположенной на 100 км, по направлению господствующих (западных) ветров.
На рис. 5 также видно, что в целом кривые 1986 и 2005 годов подобны, причем кривая 2005 года отвечает большим значениям ИКС, что может быть объяснено спадом промышленных атмосферных выбросов в регионе в годы перестройки.
При проведении исследований на местности в окрестностях ЛАЭС в 2005 году привлекла внимание необычная густота крон старых сосен к востоку от ЛАЭС /70-73/; кроме того, был замечен необычно большой апикальный прирост сосен в возрасте 15-20 лет. В связи с этим было произведено измерение апикального прироста за последние 5 лет молодых сосен в возрасте 15-20 лет, растущих на двух территориях: к западу и к востоку от ЛАЭС. Господствующее направление ветров в основном с запада, соответственно, дозы облучения растительности должны быть больше к востоку по сравнению с западом. Эти дозы, были измерены дозиметром «Белла» по описанной выше методике (глава 2.2), результаты измерений представлены в табл. 18.
Апикальным называется прирост по главной оси дерева; при этом прирост последнего года, естественно располагается выше (рис. 6). Для статистической достоверности результата, измерения проводились на сорока деревьях в обоих случаях с последующим усреднением результатов (табл. 19).
Полученный результат подтверждает эффект стимулирования: уровень радиации больше к востоку на 5,75 % за счёт выбросов ЛАЭС, а апикальный прирост сосен на 13,4 % (статистический вес результата 40).
