Источники поступления радиоактивных продуктов АЭС в окружающую среду

В период эксплуатации АЭС в процессе работы реактора в ядерном топливе со временем накапливается большое количество радиоактивных продуктов деления, представляющих потенциальную опасность для персонала, жителей прилегающих населенных пунктов и окружающей среды. Например, суммарная активность продуктов деления ²³⁵U на конец 3-годичной работы реактора мощностью 1 ГВт (тепл.) составляет 4,4·10⁹ Ки. Эта активность должна удерживаться внутри тепловыделяющих элементов. Регламентом допускается эксплуатация реакторов типа ВВЭР при 1%-ной газовой негерметичности оболочек твэлов или 0,1% от числа твэлов с частичной негерметичностью, когда возможен прямой контакт сердечника твэла с теплоносителем. Для реакторов типа РБМК эти коэффициенты на порядок меньше.

Очевидно, что часть продуктов деления может попадать в теплоноситель. При этом концентрация радиоактивных продуктов в теплоносителе не должна достигать контрольного уровня 0,1 Ки/л (для ВВЭР).

При эксплуатации АЭС в нормальном режиме обеспечена локализация основного количества радиоактивных продуктов в реакторной установке, системах очистки теплоносителя (например, спецводоочистки) и газов (спецгазоочистки). В частности, предусмотрена высокая герметичность парогенератора и трубопроводов первого контура реактора, вследствие чего радиоактивные продукты локализуются внутри него и концентрируются на ионообменных фильтрах при переработке теплоносителя. Далее пульпа, содержащая высокоактивную ионообменную смолу, сбрасывается в хранилище высокоактивных жидких отходов, выдерживается там в течение определенного времени для распада короткоживущих изотопов, переводится в твердое состояние и поступает на захоронение в хранилище твердых отходов (могильники).

Газоаэрозольные выбросы перед поступлением в атмосферу очищаются от паров воды и водорода, на специальных фильтрах – от радиоактивных аэрозолей и на угольных фильтрах – от изотопов йода. Устройства систем удаления и очистки отходов могут варьироваться для различных АЭС.

В результате нейтронной активации кроме продуктов деления образуется наведенная активность элементов конструкций реактора и теплоносителя, которая с течением времени может стать значительной. Таким образом, на АЭС имеется целый ряд узлов технологической схемы, в которых концентрируется большое количество радиоактивных продуктов. В случае разрушения этих узлов в результате аварий во внешнюю среду могут поступить радиоизотопы в количестве, определяемом как характером разрушения, так и длительностью работы АЭС.

При реальной эксплуатации АЭС в безаварийном режиме всегда существуют неплотности и дефекты в системе трубопроводов. В результате чего возникают протечки теплоносителя, как между контурами, так и во внешнюю среду. Так, допустимые протечки теплоносителя первого контура ВВЭР-440 составляют примерно 240 кг/ч, а фактические обычно находятся в пределах 5-50 кг/ч. При испарении теплоносителя в помещения АЭС поступают газообразные и аэрозольные радиоактивные продукты. При ремонтных работах, особенно сопровождающихся вскрытием первого контура, также происходит загрязнение воздуха, и поверхностное загрязнение помещений и оборудования. Дезактивация загрязненных поверхностей приводит к образованию жидких или аэрозольных радиоактивных отходов.

Загрязненный воздух из помещений через систему вентиляции выбрасывается в окружающую среду, а жидкие отходы собираются и подвергаются концентрированию. Газоаэрозольные выбросы АЭС в атмосферу производятся в основном после очистки через высокую трубу вентиляционного центра, способствующую лучшему рассеиванию радиоактивных продуктов в воздухе и уменьшению их концентрации в приземной атмосфере. Выбросы состоят главным образом из инертных радиоактивных газов, а также содержат незначительные количества продуктов деления ядерного топлива, концентрация которых за пределами санитарно-защитной зоны обычно ниже глобального фонового уровня, обусловленного испытаниями ядерного оружия. В выбросах АЭС эксплуатирующихся много лет возможно присутствие продуктов активации (например, ⁶⁰Со), являющихся следствием коррозии металла.

По изотопному составу радиоактивные отходы АЭС представляют собой смесь различных радионуклидов, как продуктов деления, так и образующихся в результате активации нейтронными потоками. При делении любого типа ядерного горючего образуется около 200 различных радионуклидов. Большой выход при делении имеют радиоизотопы инертных газов криптона и ксенона, а среди радионуклидов, представляющих опасность внутреннего облучения – изотопы йода, цезия, стронция, циркония, бария, рутения. При надлежащей герметичности оболочек твэлов образующиеся в них осколочные продукты удерживаются в топливе. Однако даже при незначительных дефектах оболочек продукты деления (в первую очередь газообразные и летучие изотопы криптона, ксенона и йода) проникают в теплоноситель и далее в вентиляционные и канализационные системы. Источником загрязнения теплоносителя являются оболочки твэлов и остаточное загрязнение поверхности твэлов делящимся веществом, возникающее при изготовлении тепловыделяющих элементов.

Наведенная активность возникает в тех местах реактора, в которых имеются потоки нейтронов, исходящие из активной зоны: в теплоносителе и воздушных пространствах, деталях первого контура и корпуса реактора. Среди продуктов активации в водо-водяных и водографитовых реакторах наибольшее значение имеют радионуклиды, образующиеся в теплоносителе. Наведенная активность воды первого контура при работе реактора обусловлена активацией растворенных в воде веществ и продуктов коррозии. Это ¹³⁴Cs, ⁵⁴Mn, ^{58, 60}Co, ⁵⁹Fe, ⁶⁵Zn и другие радионуклиды. Из продуктов активации газов наибольшее значение имеет ⁴¹Ar.

Газоаэрозольные отходы формируются при вентиляции монтажных пространств, помещений насосов первого контура, емкостей, содержащих жидкие отходы, и других помещений, в которых могут быть радиоактивные вещества, а также за счет выбросов эжекторовых турбин. При этом в воздух поступают в основном газообразные и летучие радиоизотопы и в меньшей степени – нелетучие вещества в виде аэрозолей.

Основными по активности составляющими воздушного выброса ядерных реакторов, являются радиоизотопы инертных газов - ⁴¹Ar –и осколочные изотопы криптона и ксенона, основными из которых являются ¹³³Xe и ⁸⁵Kr. В газообразной фазе выбросов присутствуют также тритий и ¹⁴С. Радиоизотопы йода (в основном ¹³¹I) присутствуют в воздушном выбросе, как в виде аэрозоля, так и в газообразной фазе, причем активность газообразной фазы радиойода может в десятки раз превышать активность в аэрозоле. Основная доля активности аэрозолей, поступающих в атмосферу, приходится на короткоживущие продукты распада криптона и ксенона: ⁸⁸Rb (Т_1/2=18 мин) и ¹³⁸Cs (Т_1/2=33 мин). Из долгоживущих продуктов наведенной активности основными являются ⁶⁰Co, ⁵⁴Mn, ²⁴Na, ⁶⁴Cu, ⁵¹Cr и др. Из продуктов деления в аэрозольной фазе выброса наиболее вероятно присутствие ¹³¹I, 137Cs, ¹⁴⁴Ce. Количество 137Cs и ^89,90Sr в выбросах мало, однако вследствие их биологической опасности за поступлением этих нуклидов во внешнюю среду устанавливается постоянный контроль. В жидкие сбросы АЭС радиоактивные продукты могут попасть при наличии протечек с водой, охлаждающей конденсаторы турбин, а также с водой промконтура и в виде сбросов малоактивных дебалансных вод, прошедших глубокую очистку от радиоактивного загрязнения.

Наибольший вклад в загрязнение водоемов-охладителей вносит тритий. На АЭС с реакторами типа ВВЭР его годовые сбросы с жидкими стоками составляют приблизительно 2 Ки/(МВт·год), а на АЭС с реакторами типа РБМК – около 0,1 Ки/(МВт·год). Кроме того, в водоемы поступает незначительное количество ^134,137Cs, ^58,60Co, ⁵¹Cr, ⁶⁵Zn, а также ⁵⁴Mn, ⁵⁹Fe и ¹³¹I. Количество изотопов ^89,90Sr в жидких сбросах очень мало, после трития основная часть активности сбросов определяется изотопами ^134,137Cs, в меньшей мере ¹³¹I и ^58,60Co. Возможным источником поступления изотопов в окружающую среду являются хранилища жидких радиоактивных отходов, преобладающая доля активности которых приходится на долгоживущий изотоп ¹³⁷Cs (до 95%).

Твердыми радиоактивными отходами могут быть различного рода материалы из активной зоны реакторов, первого контура, демонтированное оборудование и коммуникации контуров с активной средой, отработанные фильтры очистных установок, загрязненные инструменты, приборы, обтирочные материал, спецодежда, средства индивидуальной защиты и другие предметы. Твердые отходы направляются на захоронение в специально оборудованные хранилища.

При нормальной работе АЭС скорость выброса радиоактивных продуктов в окружающую среду тщательно контролируется. Содержащиеся в воздухе радиоактивные нуклиды благородных газов криптона, ксенона, радона, трития, ¹⁴С, а также присутствие аэрозолей топлива и продуктов деления определяют наличие ионизирующего излучения в воздухе. Жидкие радиоактивные выбросы, попадающие в реки, большие озера или океан, содержат тритий, продукты деления и другие вещества. При работе АЭС человек может подвергаться следующим воздействиям ионизирующего излучения:

· внешнему β- и γ-облучению при распаде газообразных радиоактивных нуклидов, содержащихся в атмосфере или в воде;

· облучению при распаде осевших на землю радиоактивных аэрозольных частиц;

· внутреннему облучению в результате потребления загрязненной радиоактивными нуклидами пищи или воды.

Скорость и уровень выхода радиоактивных нуклидов в окружающую среду зависят от механизмов генерации и удержания этих нуклидов, которые в свою очередь, определяются конструкцией активной зоны топлива и реактора, а также защитных устройств технологического оборудования. Совокупность взаимосвязанных герметизированных объемов (так называемых барьеров безопасности с низким уровнем утечки) и другие технические меры позволяют обеспечить очень высокие коэффициенты удержания радиоактивных веществ, или, что то же самое, низкие коэффициенты радиоактивных выбросов в окружающую среду.

Газообразные радионуклиды и аэрозоли, выходящие в окружающую среду непосредственно или под контролем через вентиляционную трубу, смешиваются с атмосферным воздухом и разбавляются в нем. Степень разбавления зависит от высоты вентиляционной трубы, перемешиваемости воздушных слоев (атмосферных условий) и расстояния от АЭС. Радионуклиды также выпадают на землю в виде сухих и мокрых осадков. Концентрация жидких радиоактивных выбросов зависит от степени разбавления их в воде, т.е. количественного соотношения между выбросами и окружающей водой.

Результаты государственного экологического мониторинга АЭС являются открытыми и публикуются в информационных источниках. На рис.17 показан результаты контроля за выбросами радилоактивных веществ в окружающую среду для АЭС различного типа.