Глава 1. Авария на Чернобыльской атомной электростанции и                         факторы распределения зон загрязнения на территории Беларуси

Человеческая деятельность в области добывающей про­мышленности, осуществление крупномасштабных энергетиче­ских проектов, развитие транспортной сети, расширение про­мышленных и сельскохозяйственных комплексов, а также уве­личение современных мегаполисов изменяют глобальное равновесие между биосферой и техносферой. Результат этих процессов — повышение уровня загрязнения обширных тер­риторий вредными химикатами и радиоактивными отходами. В дополнение к росту загрязнений и постепенной деградации естественных экосистем и окружающей среды время от време­ни случаются крупные промышленные аварии, которые дра­матически изменяют экологическую ситуацию и приводят к большим экономическим потерям. По имеющимся оценкам, они составляют каждый год примерно 1,2—1,5% от мирового валового продукта.

Чернобыльская катастрофа имеет особый статус. Во-первых, она сейчас признана величайшей технологической катастро­фой нашей планеты. Во-вторых, миллионы людей в различных странах пострадали от ее воздействия. В-третьих, катастрофа создала новую долгосрочную радиоэкологическую ситуацию на территориях многих европейских стран. Сейчас можно го­ворить об обширных радиоэкологических провинциях, воз­никших в биосфере в результате человеческой деятельности (рис. 1.1). Катастрофа легла тяжелым грузом на национальные экономики пораженных стран. Например, по оценкам иссле­дователей, экологические потери Беларуси в 1986—2015 гг. составят более чем 235 млрд. долларов США.

Чернобыльская атомная электростанция (ЧАЭС) (51°23′14″ с. ш.  30°06′41″ в. д.)  расположена на границе Украины и Беларуси (рис. 1.2). Она находится вблизи города Припять, в 18 километрах от города Чернобыль, в 16 километрах от границы с Белоруссией в 100 км на северо-запад от Киева и в 310 км на юго-восток от Минска, состояла из четырех реакторов типа РБМК-100 (реактор большой мощности канальный). Реакто­ры имеют графитовый замедлитель,  системы   охлаждения на                  и генирируют мощность 1000 МВт в одном     блоке.       Центральная    часть                    

Рис. 1.1. Расчетное пространственное        реактора состоит  из  графитовых блоков

распределение радиоактивности над            (25x25x60 см),    сложен­ных    вместе и

Северным полушарием на 10-й день           образующих  цилиндр   диаметром   12 м

после Чернобыльской аварии              и  высотой  7 м.  Имеется  1661  отдельных

вертикальных каналов для топлива. Масса урана в топливе составляет 114,7 кг.

Ко времени аварии на ЧАЭС использовались четыре реактора РБМК-1000 с электрической мощностью 1000 МВт (тепловая мощность 3200 МВт) каждый. Ещё два аналогичных реактора строились. ЧАЭС производила примерно десятую долю электроэнергии Украины.

Катастрофа произошла в 1 ч 23 мин 26 апреля 1986 г., когда  на 4-м энергоблоке Чернобыльской АЭС произошел взрыв, который полностью разрушил реактор.  В результате двух последовательных взрывов 1000-тонная плита перекрытия с реактора была сдвинута, пострадала  крыша  здания 4 - го

Рис. 1.2. Фотография Чернобыльской АЭС со   блока.  Здание энергоблока час-

 станции  «Мир», 27 апреля  1997    тично обрушилось, в различных помещениях и на крыше начался пожар. Впоследствии остатки активной зоны расплавились. Смесь из расплавленного металла, песка, бетона и частичек топлива растеклась по подреакторным помещениям.  Приток воздуха в поврежденный реактор вызвал горение графита. Дымы и газы поднялись па высоту более 1 км. В атмосферу были выброшены благородные газы, продукты распада и большое количество уранового топлива, в том числе изотопы урана, плутония, иода-131 (период полураспада 8 дней), цезия-134 (период полураспада 2 года), цезия-137 (период полураспада 30 лет), стронция-90 (период полураспада 28 лет).

Непосредственно во время взрыва на четвёртом энергоблоке погиб один человек (ещё один скончался в тот же день от ожогов), однако этим число жертв не ограничилось. Вскоре после аварии на ЧАЭС прибыли пожарные и начали тушение огня, в основном на крыше машинного зала между третьим и четвёртым блоком. Они не имели никаких индивидуальных средств защиты и не знали о радиационной опасности. Все они получили высокие дозы радиации и многие впоследствии умерли от лучевой болезни. В распоряжении персонала были только дозиметры с пределом измерения 1 миллирентген в секунду. Из двух имевшихся приборов на 1000 рентген в час один вышел из строя, а другой оказался недоступен из-за возникших завалов. Поэтому никто точно не знал реальных уровней радиации в помещениях блока и вокруг него. Неясным было и состояние реактора.

С 26 апреля по 6 мая 1986 г., когда реактор заглушили, 3—8% общего количества радиоактивных веществ в 1 млрд. Кu было выброшено и окружающую среду. Более тяжелые частицы выпали около станции, более легкие унесло радиоактивное облако. Вскоре они достигли Западной Европы, Атлантики, Ближнего Востока и Японии.

Существует два различных подхода к объяснению причины чернобыльской аварии, которые можно назвать официальными, а также несколько альтернативных версий разной степени достоверности.

Первоначально вину за катастрофу возлагали исключительно, или почти исключительно, на персонал. Такую позицию заняли Государственная комиссия, сформированная в СССР для расследования причин катастрофы, суд, а также КГБ СССР, проводивший собственное расследование. МАГАТЭ в своём отчёте 1986 года также в целом поддержало эту точку зрения. Значительная часть публикаций в советских и российских СМИ, в том числе и недавних, основана именно на этой версии. Грубые нарушения правил эксплуатации АЭС, совершённые персоналом ЧАЭС, по этой версии, заключались в следующем:

· проведение эксперимента «любой ценой», несмотря на изменение состояния реактора;

· вывод из работы исправных технологических защит, которые просто остановили бы реактор ещё до того как он попал бы в опасный режим;

· замалчивание масштаба аварии в первые дни руководством ЧАЭС.

Однако в последующие годы объяснения причин аварии были пересмотрены, в том числе и МАГАТЭ. Консультативный комитет по вопросам ядерной безопасности (INSAG) в 1993 году опубликовал новый отчёт, уделявший большее внимание серьёзным проблемам в конструкции реактора. В этом отчёте многие выводы, сделанные в 1986 году, были признаны неверными. В современном изложении, причины аварии следующие:

· реактор был неправильно спроектирован и опасен;

· персонал не был проинформирован об опасностях;

· персонал допустил ряд ошибок и неумышленно нарушил существующие инструкции, частично из-за отсутствия информации об опасностях реактора ;

· отключение защит либо не повлияло на развитие аварии либо не противоречило нормативным документам.

Реактор РБМК-1000 обладал рядом конструктивных недостатков, которые, по мнению специалистов МАГАТЭ, стали главной причиной аварии. Считается также, что из-за неправильной подготовки к эксперименту по «выбегу» генератора и ошибок операторов, возникли условия, в которых эти недостатки проявились в максимальной степени. Отмечается, в частности, что программа не была должным образом согласована и в ней не отводилось достаточного внимания вопросам ядерной безопасности. Недостатки реактора заключаются в следующем:

· Во время работы реактора, через активную зону прокачивается вода, используемая в качестве теплоносителя. Внутри реактора она кипит, частично превращаясь в пар. Реактор имел положительный паровой коэффициент реактивности, т. е. чем больше пара, тем больше мощность, выделяющаяся за счёт ядерных реакций. На малой мощности, на которой работал энергоблок во время эксперимента, воздействие положительного парового коэффициента не компенсировалось другими явлениями, влияющими на реактивность, и реактор имел положительный мощностной коэффициент реактивности. Это значит, что существовала положительная обратная связь — рост мощности вызывал такие процессы в активной зоне, которые приводили к ещё большему росту мощности. Это делало реактор нестабильным и опасным. Кроме того, операторы не были проинформированы о том, что на низких мощностях может возникнуть положительная обратная связь.

· Ещё более опасной была ошибка в конструкции управляющих стержней. Для управления мощностью ядерной реакции в активную зону вводятся стержни, содержащие вещество, поглощающее нейтроны. В РБМК, однако, их нижняя часть была сделана из непоглощающего материала (алюминиевого цилиндра, заполненного графитом). Когда стержень двигался вниз, эта непоглощающая часть вытесняла воду, которая, пусть и в небольшой степени, поглощает нейтроны. Если стержень находился в верхнем положении, опускание стержня в первые секунды приводило к росту реактивности (так называемый «концевой эффект»). Перед аварией значительное количество управляющих стержней находилось в верхнем или близком к нему положении, из-за низкого запаса реактивности, поэтому, кнопка аварийного останова в первые секунды увеличивала мощность, вместо того чтобы немедленно остановить реактор.

Эвакуация приблизительно 115 тыс. человек, живших в 30-кило­метровой зоне, была завершена 6 мая 1986 г. Бетонный "саркофаг" для реактора четвертого блока был готов в ноябре 1986 года (рис. 1.4).

После аварии на 4-м энергоблоке работа электростанции были приостановлена из-за опасной радиационной обстановки. Однако уже в октябре 1986 года, после обширных работ по дезактивации территории и постройки «саркофага», 1-й и 2-й энергоблоки были вновь введены в строй; в декабре 1987 года возобновлена работа 3-го.

Втечение лета 1986 г. поврежденный реактор был охлаж­ден, по возможность выделения радионуклидов не была устранена, кроме того, руины реактора представляли большую для окружающей среды. Внутри него находилось1659 контейнеров с ядерным горючим (около 180 т радиоак­тивных материалов и продуктов деления вместе с остатками разрушенной конструкции реактора). Катастрофа произошла в конце рабочего цикла активной зоны четвертого реактора, и накопление в нем радиоактивных материалов в этот момент было максимальным.

Для предотвращения дальнейшего выделения радионукли­дов в окружающую среду было решено построить над развали­нами реактора бетонное укрытие.

Бетонная и стальная струк­тура саркофага была построена вокруг реактора (расстояние между опорами составляло 55 м). Остатки стен и верхней час­ти здания были использованы в качестве основы для этой конструкции. Верхний слой почвы около реактора был удален, и эту площадку покрыли бетоном и асфальтом.

Саркофаг оборудован нейтронными датчиками для обна­ружения в ядерном топливе цепной реакции, для этого в раз­рушенный реактор ввели жидкий нейтронный поглотитель. Были установлены виброакустические датчики для Рис.1.4 Четвертый блок Чернобыльской электро-    контроля механической устойчи-

станции, находящийся под саркофагом         вости топливной массы и элементов саркофага. Ведется мониторинг динамики темпера­туры и теплового потока в выбранных точках под реактором и в его верхней части. Уровень гамма-излучения регистрируется в различных частях разрушенного реактора. В ноябре 1986 г. строительные работы над руинами четвертого блока были за­вершены и выделение радионуклидов в окружающую среду прекратилось. Инженеры спроектировали саркофаг, предпо­лагая, что это сооружение будет служить несколько десятиле­тий. Однако уже пять лет спустя стало ясно, что

состояние железобетонного саркофага вызывает серьезные опасения. Опасность, в случае его обрушения, в основном определяется тем, как много радиоактивных веществ находится внутри него. По официальным данным, эта цифра достигает 95 % от того количества, которое было на момент аварии. Если эта оценка верна, то разрушение укрытия может привести к очень большим выбросам. Встал вопрос о том, что делать с этой свалкой радионуклидов. Правительство Украины пригласило членов международного научного и инженерного сообщества для участия в конкурсе по генерации идей и обсуждению вопроса о том, что в даль­нейшем делать с саркофагом и скоплением радиоактивных материалов под руинами реактора.

Было предложено несколько решений:

— убрать поврежденный реактор и радиоактивные мате­риалы, а очищенное место преобразовать в зеленую лужайку;

— закрыть реактор толстым слоем песка, чтобы изолиро­вать радиоактивные материалы;

— добавить больше бетона и полимерных наполнителей в камеры реактора, чтобы закрепить радионуклиды, или постро­ить новое укрытие.

Первое предложение выглядит в данный момент неосуще­ствимым, если принять во внимание высокий уровень радиации внутри реактора и отсутствие роботов, которые могут разобрать руины и удалить радиоактивные материалы в отстой­ники. Второе предложение не исключает потенциальной опас­ности для окружающей среды. Его нельзя принять, потому что в нем не учтены физико-химические процессы, которые про­исходят в массе атомного горючего. Третье предложение по реконструкции или строительству нового саркофага является более разумным.

Французская строительная фирма "Bouygues" предложила закрыть саркофаг другим, большим по размерам, длина, ши­рина и высота которого соответственно равны 220, 80 и 92 м. Французские инженеры полагают, что существующий уровень радиации в месте расположения реактора опасен для здоровья и основные строительные работы следует проводить на рас­стоянии не менее 200 м от него. Однако не ясно, каким обра­зом в будущем можно перенести 140 000 бетонных элементов к поврежденному реактору и укрепить ими структуру нового саркофага. Для лучшей изоляции радиоактивных материалов саркофаг должен иметь два бетонных укрытия на расстоянии 8 м друг от друга. Бетонная конструкция должна быть проч­ной, чтобы противостоять любому внешнему воздействию (сейсмическому или метеоритному), должна быть предусмот­рена возможность удаления выделяющихся газов и обеспече­ния прохода людей и техники для демонтажа поврежденного реактора. Новый саркофаг позволит улучшить радиационную защиту людей, которые работают на двух реакторах, произво­дящих электроэнергию, и, самое главное, устранить опасность для окружающей среды в европейском регионе.

В 1991 году на 2-м энергоблоке вспыхнул пожар, и в октябре этого же года реактор был полностью выведен из эксплуатации. В декабре 1995 года был подписан меморандум о взаимопонимании между Правительством Украины и правительствами стран «большой семёрки» и Комиссией Европейского Союза, согласно которому началась разработка программы полного закрытия станции к 2000 году. 15 декабря 2000 года был навсегда остановлен реактор последнего, 3-го энергоблока. В 2009 году планируется начать строительство нового, более прочного саркофага над 4-м энергоблоком (рис. 1.5).

Приблизи­тельно 800 тыс. человек были привлечены для ликвидации последст­вий аварии и работы по очистке территории. Около 28 тыс. км² терри­тории и 2225 населенных пунктов в Беларуси, России и на Украине было загрязнено цезием (более 185 кБк/м²). Приблизительно 850 тыс. человек живут на этой территории. Около 105 тыс. км² загрязнено на уровне 37 кБк/м² и более. Более 4 млн. человек в трех странах прямо или косвенно пострадали от последствий катастрофы. Почти 400 000 были вынуждены покинуть свои дома и переселиться в чистую зону. В первый год после катастрофы 114 тыс. га сельскохозяйственных земель и 492 тыс. га леса были признаны непригодными и изъяты из пользо­вания.

В результате взрыва четвертого энергоблока Чернобыль­ской атомной электростанции примерно 3—4% радиоактивных веществ было выброшено в окружающую среду с 26 апреля по 5 мая 1986 г. Эти оценки, сделанные Государственным коми­тетом СССР по атомной энергии, были представлены Между­народ-

Рис.1.5. Проект нового саркофага                                    ному  агентству по атомной

по атомной энергии (МАГАТЭ) в Вене (ООН, 1988). По оценкам МАГАТЭ, 25-50 млн. Ки радиоак­тивных элементов, включая 10 млн. Ки йода и 2 млн. Ки цезия, было выброшено из центральной зоны реактора (МАГАТЭ, 1991). Некоторые эксперты полагают, что эта оценка заниже­на. Они считают, что около 8—10% общего количества радио­активных веществ (1 млрд. Ки) было выброшено в окружающую среду. Подсчитано, что от 1,9 до 5∙10⁸ Бк было выброшено в атмосферу и осело па огромной территории и поверхности воды, достигнув Атлантического океана (ООН, 1988). Общая масса радиоактив­ных веществ, выброшенных в атмосферу, составляет около 77 кг, большая часть из них осела на площадях, находящихся в 300—400 км от атомной электростанции. В состав изотопов, выброшенных при аварии на Чернобыльской АЭС, входило около 30 радионуклидов с периодом полураспада от 1,1 ч (для криптона-77) до более 24 тыс. лет (для плутония-239) (табл. 1.1). В атмосферу был выброшен весь радиоактивный тритий, а также 25% углерода-14 (с периодом полураспада 12 и 5730 лет соответственно).

Легкие радиоактивные частицы и смеси газов, выброшен­ные из реактора четвертого блока, попали в высокие слои ат­мосферы и рассеялись, главным образом, между 30° и 50° с. ш. Осаждение крошечных аэрозольных частиц во время атмо­сферных возмущений и выпадение осадков, содержащих эти частицы, на Землю привело к повышению естественного ра­диоактивного фона, особенно в центральных, северных и юж­ных европейских странах. Например, в Финляндии были за­регистрированы участки, где загрязненность составляла 5 мкЗв/ч по сравнению с 0,1—0,2 мкЗв/ч — естественный радиоактив­ный фон. В большинстве европейских стран только легкие изотопы проникли в окружающую среду и увеличили естественный уровень радиоактивности. Однако в течение первого месяца после катастрофы в воздухе содержалось большое количество аэрозольных частиц. Это означает, что люди на пострадавших территориях получили несколько большую дозу радиации при вдыхании воздуха или потреблении пищи из загрязненных территорий, чем за счет непосредственного внешнего облуче­ния. Позднее, по мере очищения воздуха, поступление радио­изотопов в организм людей снизилось. Миграция цезия-137, цезия-134, иода-133 и других радионуклидов стала главной причиной повышения естественной радиоактивности в боль­шинстве стран Европы.

Таблица1.1

Выброс радионуклидов

Загрязнение территорий вблизи Чернобыльской атомной электростанции заметно отличается от глобального загрязнения. Тяжелые частицы с такими элементами, как плутоний и стронций, выпали в радиусе 30—40 км от реактора. Изотопы плутония образуют "горячие частицы" размером 10 мкм, с очень большим уровнем радиоактивности. Спектр радионук­лидом, выпавших внутри 30-километровой зоны, был более разнообразным, чем глобальные радиоактивные осадки. Короткоживущие изотопы (иод-131, стронций-89, Теллур-132) и благородные газы (ксенон и криптон) были основными источниками загрязнения окружающей среды вокруг реактора и в первые дни после катастрофы.

Большая часть радиоактивных веществ была выброшена в. атмосферу из поврежденного четвертого энергоблока Черно­быльской атомной электростанции в течение первых 10 дней после взрыва и пожара. Теплота, выделившаяся при пожаре, способствовала высвобождению радиоактивных благородных газов и аэрозольных частиц, которые поднялись в верхние слои атмосферы. Процесс выброса радионуклидов можно раз­делить на четыре фазы. В первый день произошел выброс около 25% радионуклидов в результате взрыва и пожара. В те­чение последующих пяти дней объем высвобождаемых радио­нуклидов медленно снизился в 6 раз благодаря мерам, приня­тым пожарными (тушение горящего графита, охлаждение ре­актора). В этих целях около 5000 т карбида бора, свинца, глины и доломита было сброшено на реактор с вертолетов. В течение следующих четырех дней произошел саморазогрев то­плива в реакторе до 2000 °С, в связи с этим выделение радио­нуклидов увеличилось до 70% по сравнению с первоначаль­ным уровнем. В этот период были выброшены в атмосферу радиоактивный йод и топливные аэрозоли, а также соедине­ния свинца и бора, сброшенные на реактор с вертолетов. Спустя девять дней после катастрофы произошло существен­ное снижение выброса с освобождением 1% радиоактивных веществ по сравнению с первоначальным объемом благодаря принятым мерам. Продукты деления были включены в состав более стабильных химических соединений и выброс радиоак­тивности уменьшился. Было подсчитано, что около 20% лету­чих радионуклидов йода, цезия и теллура вместе с благород­ными газами (ксеноном и криптоном) и около 3—6% других более стабильных радионуклидов (стронций, плутоний, барий и церий) были выброшены в атмосферу и рассеяны в различ­ных направлениях. Главные радиоактивные следы за несколь­ко дней достигли многих европейских стран, увеличивая уро­вень радиоактивности в 10—100 раз по сравнению с естест­венным фоном. Практически во всех странах северного полушария, включая Атлантику, в 1986 г. было за­регистрировано повышение уровня атмосферной радиоактив­ности.

В месте расположения реактора осело примерно 0,3—0,5% радиоактивных веществ, внутри 20-ки­лометровой зоны — примерно 1,5—2,0%, а за ее пределами — около 1,0—1,5%. В последующие дни основная масса радиоактивных веществ распределилась на высоте 600 м. Во время атмосферные движения часто меняли направление, ветры па высоте 1500 м дули с юго-востока со скоростью м/с, и радиоактивные вещества переносились со скоростью около 10 м/с, или 1200 км за 36 ч. Летучие элементы (йод и цезий) поднялись на высоту 6—9 км, их следы были в нижних слоях стратосферы. Тугоплавкие элементы (стронций и церий) выпали в окрестностях атомной станции.

Формирование радиоактивного загрязнения Беларуси началось сразу же после взрыва реактора. 27-28 апреля территория Беларуси находилась под влиянием пониженного атмосферного давления. 28 апреля во всех областях республики прошли дожди, носившие ливневый характер. С 29 апреля переместившиеся в северном направлении воздушные массы с радиоактивными выбросами, в связи со сменой направления движения воздушных масс, начали перемещаться из Прибалтики на Беларусь. Такой перенос воздушных потоков сохранялся до 6 мая.  С 8 мая произошло повторное изменение направления движения воздушных масс и их траектория вновь проходила от Чернобыля в северном направлении.

Метеорологические условия движения радиоактивно загрязненных воздушных масс с 26 апреля по 10 мая 1986 года в совокупности с дождями, особенно в конце апреля и начале мая, определили масштабность радиоактивного загрязнения Беларуси. Около 2/3 активных веществ в результате сухого и влажного осаждения выпали на ее территории.

Рис. 1.3. Загрязнение территорий Беларуси, Украины и России цезием-137 с плотностями более 37 кБк/м²  ( в % от общей площади)

Радиоактивные выбросы привели к значительному загрязнению местности, населенных пунктов, водоемов. Загрязнение территории Беларуси свыше 37 кБк/м2 по цезию-137 составило 23% от всей площади республики. Эта величина для Украины составляет 5 %, России – 0,6% (рис.1.3), что свидетельствует о более сложных и тяжелых последствиях чернобыльской катастрофы для Беларуси по сравнению с Украиной и Россией.

Учитывая масштабность и тяжесть последствий катастрофы на ЧАЭС, Верховный Совет Беларуси в июле 1990 года объявил территорию республики зоной экологического бедствия. Были приняты специальные Государственные программы по преодолению последствий катастрофы на ЧАЭС, целью которых было создание безопасных для здоровья человека условий жизнедеятельности в районах, подвергшихся радиоактивному загрязнению.