Постоянное увеличение производимой энергии уже сейчас требует учета всех факторов, влияющих на окружающую среду. Зарубежные и отечественные исследования показывают, что неконтролируемая деятельность человека в области энергетики уже к 2000 г. может привести к значительному изменению климата, и не исключено, что в будущем потребуются огромные материальные вложения в реализацию технических решений, направленных на устранение последствий этой деятельности человека [72]. Требования по повышению надежности ЭУ и охране окружающей среды оказывают все большее влияние на технико-экономические показатели как в прямом стоимостном выражении мероприятий, направленных на их обеспечение, так и в косвенном, что сказывается на увеличении сроков строительства [(100 млн. долл. в год на блок мощностью 1000 Мвт(эл.)]. Эта тенденция достаточно четко прослеживается на примере затрат на строительство АЭС в США в период с 1967 по 1973 г. Так, если до 1971 г. расходы, связанные с охраной окружающей среды, практически не влияли на стоимость АЭС, то уже в начале 1973 г. они составили около 10% (80 долл./кВт), и наблюдается тенденция к их дальнейшему росту [73].
Уже сегодня уровень тепловой нагрузки в крупных промышленных районах достигает 20 Вт/м2, что составляет ~20% среднего теплового баланса на поверхности земли (100 Вт/м2), а к 2000 г. может достигнуть 1000 Вт/м2. Вопрос о том, ведут ли такие тепловые нагрузки к необратимым процессам в атмосфере и климате, по существу, остается открытым, хотя и имеется ряд наблюдений, свидетельствующих о влиянии таких тепловых нагрузок на локальное изменение дождевого цикла над этими промышленными районами. Кроме того, столь интенсивное производство энергии может привести к росту средней температуры планеты, и повышение температуры только на 1—2° приведет к глобальным изменениям климата [3, 72].
Перед энергетикой как наукой стоит задача не просто обеспечивать развитие цивилизаций всеми необходимыми видами энергии, но и найти такие пути решения этого вопроса, которые в минимальной степени оказывали бы воздействие на окружающую среду. Научные, расчетные и практические исследования экологического воздействия вырабатываемой энергии практически только начинаются и потребуется еще достаточно много времени, прежде чем с уверенностью можно будет сказать, какие же типы ЭУ наиболее оптимальны в системе «производство энергии — природа». Может оказаться, что с точки зрения экономики сегодняшнего дня выбранный тип ЭУ будет несколько дороже уже существующих, освоенных на практике и дающих определенный экономический эффект.
Однако это не должно стать тормозом на пути освоения тех ЭУ, воздействие которых на окружающую среду позволит существенно улучшить экологическую обстановку земли сегодня и, тем более, не ухудшить ее в будущем.
Не останавливаясь на известных преимуществах атомной энергетики перед другими альтернативными энергетическими системами долгосрочного пользования, рассмотрим основные вопросы экологической совместимости атомных ЭУ с окружающей средой [74].
На каждом этапе технологического процесса прохождения делящихся материалов (рудник, завод-обогатитель, фабрикация твэлов, реактор, переработка, транспортировка, захоронение отходов и т. п.) уделяется максимальное внимание вопросам безопасности и охраны окружающей среды. Наибольшую потенциальную опасность несет собственно реактор и прежде всего в случае экстремально возможной аварии. Как правило [75], для АЭС первого поколения площадки под строительство выбирались в 30— 70 км от крупных жилых массивов, и это расстояние являлось своего рода страхующим элементом в общей системе безопасности. Расширение области применения атомной энергии особо остро ставит вопрос о экологических характеристиках тех или иных установок, поскольку новые технологические процессы часто требуют размещения ЭУ в достаточной близости от крупных густонаселенных жилых массивов и промышленных центров (теплофикация, химическая, металлургическая промышленность и т. п.), что значительно ослабляет наиболее объективно оцениваемый фактор. безопасности— расстояние. Поэтому ЭУ последующего поколения, и прежде всего с ВТГР и БГР как наиболее оптимальные в структуре энергетики будущего, должны проектироваться с учетом их размещения в непосредственной близости к потребителям, что, очевидно, повлечет за собой более жесткие требования по локализации вероятно-потенциальных аварий с исключением возможности причинения не компенсируемого экологического ущерба.
Рассмотрим основные показатели различных типов реакторных установок по степени их воздействия на окружающую среду.
2.4.1. Коэффициент теплового воздействия на окружающую среду
Коэффициент теплового воздействия на окружающую среду ετ представляет собой отношение количества сбрасываемого в окружающую среду в единицу времени тепла Qсбр в процессе производства различных видов энергии к количеству полезно используемого (Qп):
(2.14)
Производство различных видов энергии вообще имеет свой предел, что вызвано ограниченными возможностями отвода тепла без изменения допустимых условий среды обитания. Поэтому, чем выше будет величина ηи отдельной ЭУ и всей энергетический системы в целом, тем дальше отодвинутся проблемы предельного производства энергии, решение которых потребует, по всей видимости, огромных материальных затрат.
Таблица 2.7
Коэффициент теплового воздействия на окружающую среду
Из табл. 2.7 видно, что с точки зрения теплового воздействия на окружающую среду ЭУ с ВТГР и БГР выгодно отличаются от ЭУ с реакторами других типов. Имеется принципиальная возможность увеличения η ЭУ с реакторами ВВЭР, РБМК и БН посредством использования тепла реактора для промышленной и бытовой теплофикации или опреснения воды, однако это приведет к уменьшению электрической составляющей ηπ установки. Следует отметить также, что ЭУ с этими типами реакторов не могут производить ВПТ в отличие от ЭУ с ВТГР и БГР.
Коэффициент ετ определяет расход охлаждающей среды, необходимой для отвода сбрасываемого тепла. В прямоточных системах подогрев воды при прохождении через концевой охладитель ЭУ принимается не выше 10° С. Это означает, что для отвода 1 кДж тепла необходимо 0,025 кг/с воды. В случае применения градирен расход воды на испарение составляет (0,25-0,5)-10-3 кг/с на 1 кДж отводимого тепла. Эти способы отвода тепла имеют недостатки, выражающиеся в снижении концентрации растворенного в воде водоемов кислорода, повышении испарения, образовании туманов и т. п.
Таблица 2.8
Расход охлаждающей среды, кг/(с-кДж)
Существенным преимуществом обладают системы охлаждения, использующие воздушные градирни, почти полностью исключающие унос влаги в атмосферу. Расходы охлаждающей среды, необходимые для производства 1 кДж тепла для различных типов ЭУ и для различных вариантов отвода тепла: через конденсатор (εκ), «влажную» градирню (εв.г) и «сухую» градирню (εс.г) (табл. 2.8), определяются по формуле
(2.15) где qi — расход охлаждающей среды на 1 кДж отводимого тепла, кг/(с-кДж): qк= 0,025; qв.г =0,5· 10-3; qс.г=0,05.
2.4.2. Радиоактивное воздействие на окружающую среду
Параметр εα — представляет собой количество радиоактивных выбросов в окружающую среду в единицу времени, приходящееся на 1 МВт полезно произведенной мощности.
Газообразные радиоактивные выбросы, критическими из которых с точки зрения воздействия на окружающую среду являются 3Н, 85Кг, и жидкие отходы, сбрасываемые с охлаждающей средой, приведены в табл. 2.9 [76—79].
Таблица 2.9
Радиоактивные выбросы, Ки/(МВт-год)
Отметим, что активность 133Хе и 85Кг, выброшенных в атмосферу в период эксплуатации АЭС «Пич-Боттом» на протяжении 1968— 73 гг., составила 0,08 Ки/(МВт-год), что несколько меньше, чем расчетные данные, приведенные в табл. 2.9. Широкий диапазон возможных выбросов реактора БГР объясняется различными типами твэлов: герметичными, вентилируемыми, на основе покрытых частиц, из которых предпочтение следует отдать вентилируемым твэлам.
В целом, можно заключить, что фактический выброс в атмосферу радиоактивных продуктов, приходящихся на 1 МВт полезно произведенной мощности, для ЭУ с ВТГР и БГР несколько ниже, чем для ЭУ с реакторами другого типа. Однако следует учитывать, что в составе ЭУ с ВТГР и БГР имеется весьма дорогостоящая система очистки по сравнению с системами очистки, которые применяются, например, в ЭУ с ВВЭР и РБМК.
Известно, что основными источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды (при нормальной работе реактора) являются заводы по переработке топлива. Если принять время выдержки облученного топлива равным 180 сут., что обеспечивает распад короткоживущих нуклидов 1311 и 133Хе, то критическими радиоактивными нуклидами с точки зрения воздействия на окружающую среду будут 85Кг и 3Н (табл. 2.10).
Таблица 2.10
Выбросы 86Кг и 3Н с заводов по переработке топлива [76]
Таблица 2.11
Высокоактивные твердые и отвержденные отходы, получаемые на реакторной площадке и на заводах по переработке топлива [76, 80—82]
Радиоактивные отходы
Радиоактивные отходы характеризуются параметром εзах, который представляет собой количество радиоактивных отходов, подлежащих захоронению и, приходящихся на 1 МВт полезно произведенной мощности, при этом следует учитывать отходы на всех этапах ядерного цикла (табл. 2.11). Параметр εзах определяется по формуле
(2.16) где εот— суммарное количество твердых и отвержденных отходов в год, подлежащих длительному захоронению, кг/год.
