Авария на Чернобыльской АЭС

Из 27 произошедших с 1945 по 1987 г. аварий на ядерных установках самой тяжелой стала катастрофа на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС). Эта катастрофа имела глобальные экологические последствия, поскольку в той или иной мере ею были затронуты все регионы Земли.

Серия взрывов гремучей смеси ночью 26 апреля 1986 г. разрушила реактор четвертого энергоблока ЧАЭС. Из него в атмосферу начали поступать огромные количества радиоактивных веществ. К моменту взрыва в активной зоне четвертого энергоблока было накоплено около 1500 МКи радиоактивных продуктов деления и активации (табл. 8.7).

Таблица 8.7

Активность радионуклидов в реакторе четвертого энергоблока ЧАЭС на момент аварии

По данным украинских исследователей, общая активность выброшенных из реактора радионуклидов, в основном ⁸⁵Кг и ¹³³Хе, составила около 90 МКи. Большая часть ядерного топлива во время активной стадии аварии переплавилась и вместе с бетоном строений образовала стекловидные лавы. Кроме того, при разрушении топлива, графита и конструкционных материалов возникло значительное количество (17±5 т) пылеобразного материала. Основное количество этих диспергированных продуктов похоронено иод слоем сброшенных во время ликвидации аварии материалов. Однако в центральном зале на поверхности и в настоящее время находится 1 —1,5 т пыли. Общее количество топлива в составе образовавшихся лав точно неизвестно. Согласно балансовым расчетам в саркофаге должно находиться около 180 т урана, из них 150 т — в составе лав. Измерение ядерных и тепловых характеристик топлива внутри саркофага показывает, что оно находится в глубоко подкритическом состоянии и вероятность возникновения самопроизвольной цепной реакции очень мала. Согласно имеющимся данным в ходе Чернобыльской катастрофы в окружающую среду поступило около 7000 кг техногенных оксидов урана. Физические объемы выброса других радионуклидов были во много раз меньше, но именно эти продукты деления и активации определили основную часть активности. В большей степени она была связана с выделением относительно короткоживущих изотопов с периодом полураспада менее 64 дней (табл. 8.8).

Таблица 8.8

Оценка активности короткоживущих радионуклидов в выбросе четвертого энергоблока ЧАЭС

Радионуклидный состав выбросов включал: — газообразные продукты деления;

• — мелкодисперсные продукты дробления облученного топлива;
• — продукты конденсации летучих радионуклидов;
• — адсорбированные на аэрозолях радионуклиды.

В период аварии на ЧАЭС радиоактивные материалы перемещались в атмосфере, а затем выпадали на подстилающую поверхность. Поскольку масса короткоживущих изотопов, соответствующая активности в 1 Ки, мала (табл. 8.9), то даже при высоких плотностях загрязнения поверхностей массовые количества радиоактивных веществ были очень небольшими.

Таблица 8.9

Массы некоторых радионуклидов, выброшенных из четвертого энергоблока ЧАЭС, и соответствующие им

активности

Особенность аварии четвертого энергоблока ЧАЭС состояла в поступлении в атмосферу (возможно, на высоту до 2000 м) и последующем осаждении на подстилающую поверхность огромного количества «горячих частиц», г. е. частиц топлива конденсационной или адсорбционной природы, обладающих удельной активностью более 0,1 Бк/мкг. Основная масса «горячих частиц» образовалась в результате дробления топлива при тепловом взрыве. Их радионуклидный состав в среднем соответствует накопленным в реакторе осколкам деления и суммарной активности (см. табл. 8.7). Размеры таких частиц лежат в основном в пределах от 5 до 100 мкм. Кроме того, в результате сплавления ядерного топлива со сбрасываемыми на реактор материалами (песок, глина, карбид бора и др.) в период максимального выброса в атмосферу, кроме топливно-графитовых частиц, начали поступать частицы алюмосиликатного состава и, возможно, летучие карбонилы урана и плутония.

Самые мелкие частицы были перенесены воздушными течениями на многие сотни и тысячи километров от ЧАЭС; их выпадение регистрировалось повсеместно на Украине, в Белоруссии, России, Литве, странах Западной и Северной Европы. О присутствии в воздухе «горячих частиц» сообщалось даже через пять лет после катастрофы. Например, в 1991 г. в Гомеле (Белоруссия) при прокачивании 1,7 • 10° м³ воздуха на фильтре задержали 59 «горячих частиц» с размерами от 2,5 до 5 мкм и массой от 10^-10 до 10^-8 г. Их a-активность составляла около 0,03, а p-активность — 0,2 Бк/частиц. Появление «горячих частиц» спустя годы после инцидента объясняется, вероятно, мероприятиями по дезактивации населенных пунктов, проводившимися в 30-километровой зоне, а позднее — полевыми работами в 60-километровой зоне. Если такое предположение верно, то еще очень долгое время «горячие частицы» будут путешествовать в атмосфере.

Выпавшие на подстилающую поверхность «горячие частицы» под влиянием факторов внешней среды подвергаются гипергенезу с выщелачиванием из них радионуклидов. Высвободившиеся радиоактивные изотопы в дальнейшем могут мигрировать в водорастворимой форме, входить в состав обменных комплексов почв и переходить в новое фиксированное состояние. По миграционной способности ионы элементов могут быть разделены на четыре группы в зависимости от величин ионных потенциалов z/r

• 1) ионы элементов с z/r < 1,4 (Na, К, Rb, Cs, Ra и др.) мигрируют в форме катионов (истинно растворенная форма) и характеризуются свойствами сильных оснований;
• 2) ионы элементов с 1,4 < z/r < 3 (Li, Са, Sr, Ва, Мп, Со, La, Се, Np, Am и др.) также передвигаются в основном в форме катионов, однако при щелочном pH образуют ограниченно растворимые гидроксиды и основные соли, а в присутствии ионов сог — труднорастворимые карбонаты, которые в водных объектах могут мигрировать в форме коллоидов и взвесей;
• 3) ионы элементов с 3 < z/r < 1 (Y, Ti, Zr, Cr, Fe, Ru, Rh, Th, Pu, U и др.) мигрируют главным образом в виде комплексных соединений, коллоидов и взвесей; они очень чувствительны к величине водородного показателя среды и образуют труднорастворимые гидроксиды;
• 4) ионы элементов с z/r > 7 мигрируют в основном в виде истинных растворов в составе анионов В0₃, N0₃, РО^3-, SOI" и др., образуя соли.

Большой интерес представляет поведение в почвах и водных экосистемах основных дозообразующих и относительно долгоживущих радионуклидов — ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, а также изотопов плутония. В водной фазе почв, загрязненных выбросами из четвертого энергоблока, эти изотопы появляются в результате выщелачивания «горячих частиц», состоящих в основном из топливного диоксида урана. Сам по себе U0₂ отличается высокой химической стабильностью по отношению к воде, но под действием почвенных растворов его частицы микронных размеров довольно быстро разрушаются и высвобождают продукты деления и активации. Если летом 1986 г. из проб грунта в 30-километровой зоне ЧАЭС почти не происходило выщелачивание урана при их обработке 6%-ным раствором HN0₃ и 10%-ным раствором Na₂C0₃, то в 1991 г. в этом же районе практически весь топливный уран находился в водорастворимой форме.

В геохимических процессах стронций ведет себя как аналог кальция. Его способность в твердой фазе адсорбировать примеси из почвы сильно зависит от присутствия в почве некоторых ионов. При увеличении в почвенных растворах содержания ионов РО|^_, SO|" и СО|" фиксация радиостронция увеличивается в первую очередь за счет соосаждения с труднорастворимыми фосфатами, сульфатами и карбонатами кальция, железа и природного стронция (его кларк в земной коре составляет 3,4 • 10 ²%). Глинистые минералы почв активно сорбируют ⁹⁰Sr. На его поведение сильно влияют также гумусовые компоненты. Установлено, что ⁹⁰Sr активно связывается фульвокислотами. Так, его распределение между гуминовыми и фульвокислотами выщелоченного чернозема составляет примерно 1: 10.

В геохимическом плане ¹³⁷Cs может рассматриваться в качестве аналога калия. В природе единственный стабильный изотоп цезия за счет изовалентного изоморфизма входит в состав кристаллической решетки минералов калия — слюд и полевых шпатов. Радиоцезий может прочно связываться с твердой фазой почв, внедряясь в межпакетное пространство глинистых минералов. Фиксированные в них ионы цезия в существенно меньшей степени переходят в почвенный раствор. В серых лесных, луговых почвах и в черноземе ¹³⁷Cs распределяется между обменной (9—15%), необменной кислоторастворимой (4—6%) и фиксированной (81—85%) формами.

Содержание ¹³⁷Cs с уровнем активности 0,5 Ки/км² и выше зарегистрировано только на Украине на территории 130 тыс. км²; общая площадь с плотностью загрязнения этим нуклидом выше 2 Ки/км² составляет 100 тыс. км². Казалось бы, установленные закономерности дают основания для значительно более оптимистичного прогноза радиоэкологической обстановки в пострадавших районах, чем если бы в расчет принимались только радиоактивный распад и вынос изотопов с поверхностным стоком. Однако положение осложняется наличием в тех же «горячих частицах» некоторых трансурановых элементов, в частности изогонов плутония.

Установлено, что активность плутония мала в сравнении с активностью радиоцезия и радиостронция. В наибольших количествах (11,41 кг) в окружающую среду поступил долгоживущий изотоп ²³⁹Ри (7^/2 = 24 118 лет). Примерно в пять раз меньше по массе (2,07 кг) было выброшено ²⁴¹ Ри. Однако активность такого количества ²⁴Фи в 250 раз больше, чем активность всего выброшенного ²³⁹Ри. Кроме того, относительно корогкоживущий ²⁴ Фи подвергается тройному распаду (Г_½ = 13,2 года) и дает начало цепочке.

Образовавшийся на первой стадии америций-241 имеет период полураспада 458 лет. Он является а-излучателем и представляет еще большую опасность, чем ²³⁹Ри. Следовательно, уже в конце 90-х гг. XX в. содержание а-излучателей в загрязненных почвах должно было стать в два раза больше, чем непосредственно после катастрофы, и это увеличение будет продолжаться в течение примерно 40 лет.

Поэтому в перспективе ожидается не сужение, а расширение зоны отчуждения и, возможно, перевод считающихся сейчас «безопасными» зон в категорию опасных. Постоянный фон а-излучателей в них будет сохраняться тысячи лет, а о Чернобыльской катастрофе будет напоминать наличие трансурановых элементов, включая ²³⁷Np с периодом полураспада 2,14 млн лет.

Выщелачивание радионуклидов из «горячих частиц» и образование подвижных форм имели следствием сильное радиационное загрязнение не только открытых водоемов. Неожиданно быстро и в больших количествах ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs обнаружились в грунтовых водах и даже в подземных водоносных горизонтах. Так, в районе г. Припять, находящемся в 30-километровой зоне отчуждения, в водоносном горизонте, залегающем на глубинах 50—70 м под слабопроницаемыми мергелями, содержание ⁹⁰Sr за пять лет (1987—1992 гг.) увеличилось с 4 до 400 Бк/ м³. Особенно быстрая миграция радионуклидов в подземные горизонты наблюдалась в районе Киевской городской аггломерации, где действует система водозабора с глубин до 250 м. Суммарная производительность их составляла 500—700 тыс. м³/сут.

На основании определения содержания в этих водах ^l34Cs, ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в 1992—1993 гг. была проведена оценка скорости миграции радионуклидов с дневной поверхности. Она составила не менее 50 м/год. После аварии на ЧАЭС эта тенденция усилилась еще больше, а атомной энергетике стали приписывать наивысшую экологическую опасность. Взрывы, пожар и извержение продуктов при аварии на четвертом энергоблоке ЧАЭС с 26 апреля по 10 мая 1986 г. стали катастрофой глобального масштаба. Из разрушенного реактора было выброшено приблизительно 7,5 т (около 4%) ядерного топлива и продуктов деления с суммарной активностью около 50 млн Ки. Значительная часть вещества в мелкодисперсном состоянии рассеялась в атмосфере и была перенесена на большие расстояния. По количеству долгоживущих радионуклидов этот выброс соответствует 500—600 Хиросимам.

Из-за того, что выброс происходил не одновременно, как при одиночном взрыве, а на протяжении нескольких дней, меняющиеся направления воздушных потоков, облака.

Рис. 8.7. Карта-схема территории с наиболее интенсивным загрязнением радионуклидами после аварии на ЧАЭС:

• 1 — изолинии активности 15 Ки/км²; 2 — зоны с активностью более 40 Ки/км²; 3 — граница 30-километровой зоны;
• 4 — государственные границы

и осадки обусловили очень сложную картину распространения радиоактивной пыли, пятнистость ее выпадения (рис. 8.7). Особые условия аварии привели к появлению большого количества мелких и легко мигрирующих «горячих частиц», обладающих очень высокой удельной активностью. Кроме 30-километровой зоны, на которую пришлась большая часть выброса, в разных местах на территории Украины, Белоруссии и России в радиусе до 250 км появились участки, где загрязнение достигало 200 Ки/км². «Пятна» с активностью более 40 Ки/км² заняли площадь уже около 3,5 тыс. км², где в момент аварии проживало 190 тыс. человек. Площадь загрязнения с активностью выше 15 Ки/ км² равна 16 тыс. км². Здесь до сих пор проживает около 700 тыс. человек. Чернобыльским выбросом в разной степени загрязнены 80% территории Белоруссии, вся северная часть Правобережной Украины, 17 областей РФ (табл. 8.10).

Радиоактивное загрязнение почв после катастрофы на ЧАЭС с плотностью менее 1 Ки/км² по ¹³⁷Cs отмечено в Краснодарском крае, Ростовской, Новгородской, Волгоградской областях и Чувашии, а также на территориях Татарстана, Республики Марий Эл, Удмуртии, Тверской и Пермской областей, Ставропольского края, Карелии, Калининградской области, Калмыкии, Псковской области, юге Республики Коми, юге Кировской области и Ненецкого автономного округа.

Таблица 8.10

Области РФ, загрязненные цезием-137.

Наиболее низкие уровни радиоактивного загрязнения по ¹³⁷Cs (соизмеримые с уровнями глобального фона) отмечены в Архангельской, Астраханской, Владимирской, Волгоградской, Ивановской, Самарской, Московской, Оренбургской, Костромской, Ярославской областях, а также в Башкирии.

Следы Чернобыльской аварии зафиксированы не только во многих странах Европы, но и в Японии, на Филиппинах, в Канаде. Легкие фракции выбросов, попавшие в верхние слои атмосферы, распространились по всему Северному полушарию. Во многих местах радионуклиды, загрязнив почву, воду и растения, внедрились в пищевые цепи, оказались в рыбе, молоке и мясе животных.

До настоящего времени существуют серьезные противоречия в оценке поражающего действия и экономического ущерба, причиненного Чернобыльской катастрофой. Согласно официальным данным два человека погибли сразу во время аварии и 29 человек, в основном эксплуатирующий персонал и пожарники, умерли позднее от радиационного поражения. 209 человек были госпитализированы с радиационным синдромом, но затем их всех выписали. Вся остальная информация об облучении людей (а на работах, но ликвидации последствий аварии побывало 600 тыс. человек) носит неофициальный характер и исходит в основном от рядовых участников и журналистов. Ответственные чиновники и врачи, выполнявшие требования руководства КПСС и КГБ о сокрытии истины, отказывались признавать радиационное происхождение заболеваний «ликвидаторов». Между тем 6 тыс. из них, в основном молодые люди, умерли уже к началу 1992 г. Эта смертность в 15 раз больше обычной смертности мужчин Белоруссии в возрасте от 20 до 40 лет.

Как стало известно из секретных протоколов Политбюро ЦК КПСС, в мае 1986 г. в связи с аварией было госпитализировано не 200, а 10 000 человек, причем лучевое поражение диагностировано у 520 человек. Но 8 мая 1986 г. Политбюро санкционировало повышение допустимых доз облучения в 10 или даже в 50 раз, благодаря чему многие облученные сразу «выздоровели».

Согласно одним сведениям в местах с опасными зонами радиации проживает как минимум 1600 тыс. человек, а по другим оценкам, — до 8 млн человек. Все последующие годы неуклонно растет число онкологических заболеваний, особенно выражен рост рака щитовидной железы у детей. Что касается экономического ущерба, то, по оценке на начало 1989 г., прямой ущерб, причиненный аварией и необходимостью ликвидации ее последствий, составил 8 млн руб. Подсчет полного объема затрат на санацию территорий, переселение людей, строительство, снабжение чистым продовольствием, оздоровительные меры, а также на спецработы на самой ЧАЭС, создание новой системы изоляции и т.и. дает сумму порядка 160 млрд руб. в ценах 1989 г. Исходя из обусловленной Чернобыльской катастрофой ожидаемой коллективной эквивалентной дозы минимум в 230 млн чел /бэр, вместе с предстоящими техническими затратами и компенсациями она обойдется приблизительно в 1,5 трлн долл.