Радиоактивности

В конце 1895 г. весь ученый мир был взволнован появившимися в печати сообщениями об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами. Эти лучи, названные Рентгеном Х-лучами, свободно проходили сквозь дерево, картон и другие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследстйии они получили название рентгеновских лучей — в честь открывшего их ученого. Это открытие вызвало большую сенсацию в научном мире. Может, по этой причине многими учеными не было замечено другое крупнейшее открытие конца ХIХ столетия — открытие французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности. Вскоре Беккерель на заседании Академии наук сообщил, что наблюдавшиеся им лучи, проникавшие подобно рентгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почернение фотопластинок, спонтанно, без всякого вмешательства извне, излучаiотся некоторыми веществами. Так было установлено, что новые лучи излучаются веществами, в состав которых входит уран. Вновь открытые лучи Беккерель назвал урановьмiи. дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами польского физика Марии Склодовской и ее мужа — француза Пьера Кюри. Супругам Кюри наука обязана тщательным всесторонним изучением вновь открытого явления, которое, по предложению Марии Склодовской-Кюри, было названо радиоактивностью.

Радиоактивность — это способность ряда химических элементов самопроизвольно распадаться и испускать невидимое излучение.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов привело к созданию так называемой лланетарчой модели атома (английский физик Э. Резерфорд, 1911 г.),

затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором. Этой моде-

лью МЫ пользуемся до настоящего времени.

Атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра (раз

меры атома очень малы — поперечник атома составляет около 10- см, следова

тельно, на 1 см можно уложить 100 млн атомов) движутся по орбитам крошеч-

ные *планеты» электароны. Размеры ядра в 100 тыс, раз меньше размеров

самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна

массе его атома. Ядро, как правило, состоит из нескольких более мелких частиц,

которые плотно сцеплены друг с другом. Некоторые из этих частиц имеют по-

ложительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре определя-

ет, к какому химическому элементу относится данный атом; ядро атома водорода

содержит всего один протон, атома кислорода 8, атома урана 92. В каждом

атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый элек-

несет отрицательный заряд, равный по величине заряду протона, так что

в целом атом неитрален.

В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа — нейтроны, по-

скольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента

содержат всегда одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может

быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различаю

щиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же

химического элемента, называемым изотчопами данного элемента. Чтобы отличить

их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех час

тиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов;

в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических

элементов образуют группу нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть в отсутствие внешнего воздействия ни-

когда не iiретерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов не-

стабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте

распада высвобождается энергия, которая и передается в виде радиоактивного

излучения.

Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал_ряд новых вопро-

сов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства,

насколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое

действие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, од-

нако, несколько десятков лет, чтобы получить ответы на поставленные вопросы,

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактив-

ными атомами. Было установлено, что радиоактивное излучение — это сложное

излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от дру-

га проникающей способностью. Хуже всего проникающие лучи получили назва-

ние а-лучей, проникающие лучше — е-лучей, и наконец, лучи, имеющие наи-

большую проникающую способность, — у-лучей.

Аль фа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным по-

ложительным зарядом, то есть потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетаютиз ядра со скоростью 15 000—20 000 км/с. Альфа-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2—9 см, в биологической ткани — 0,02—0,06 мм; они полностью поглощаются листом чистой бумаги.

Бета-лучи — это поток 13-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью света. Максимальная энергия З-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах — от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем а-частиц. 13-частицы могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани до 12 мм, в алюминии — до 5 мм.

Гамма -лучи — представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10-8I0и1 см. Проникающая способность у-лучей очень велика — значительно больше, чем а- и 13-частиц. Чтобы ослабить 7-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно установить защиту из слоя свинца толщиной 1,6 см или слоя бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют у-лучи.

Таким образом, под проникающей радиацией понимают поток у-лучей и нейтронов. Коэффициенты половинного ослабления приведены в табл. 12.1. Сейчас каждый школьник знает, что проникающая радиация разрушает организм человека, может вызвать у него лучевую болезнь различной степени. Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество переданной организму энергии называется дозой. За единицу дозы принят рентген [Р] (1 р — это такая доза у-излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха при температуре О °С и давлении 760 мм рт. ст. образется 2,08 млрд пар ионов (2,08 ж 10)).

На организм воздействует не вся энергия излучения, а только поглощенная энергия. Поглощечная доза более точно характеризует воздействие ионизирующих лучей на биологические ткани и измеряется во внесистемных единицах, называемых рад. достоинства рада как дозиметрической единицы в том, что его можно использовать для любого вида излучений в любой среде. Рад — это такаядоза, при которой энергия, поглощенная 1 кг вещества, равна 0,01 Дж, или 105 арг. Биологическим эквивалентом рада является бэр.

Надо учитывать тот факт, что при одинаковой поглошенной дозе а-излучение гораздо опаснее 13- и у-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма; а-излучение считается при этом в 20 раз опаснее других видов излучений. Пересчитаяную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; в СИ ее измеряют в единицах, называемых зивертами (Эв).

Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами.

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма, — она измеряется в зивертак.

Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих излучений, приведены в табл. 12.2. Активность радионуклида означает число распадов в секунду. Один беккерель равен одному распаду в секунду.

1 2.2 Естественные источники

радиоактивности на Земле

Все виды флоры и фауны Земли, в том числе и млекопитающие, возникли и эволюционно развивались на протяжении сотен миллионов лет при постоянном воздействии естественного радиационного фона. Радиация — поток корггускулярной (а-, 3-, у-лучей, поток нейтронов) и (или)

электромагнитной энергии.

Радиоактивный фон необходим для существования жизни на нашей планете.

детальное изучение влияния радиационного фона в дозе 1-10 мЭв в год, или

100—1000 мбэр в год, не выявило каких-либо изменений в состоянии здоровья

человека, уровне заболеваемости и уменьшения продолжительности жизни. Од-

нако повьлленный уровень радиоактивности связан с риском для здоровья лю-

дей. Природные источники излучения можно разделить на космические и земные.

Космическое излучение состоит из галактического и солнечного, колебания ко-

торого связаны с солнечными вспышками. Космическое излучение достигает

Земли в виде ядерных частиц, обладающих огромной энергией, часть которой

расходуется на столкновение с ядрами атмосферного азота, кислорода, аргона,

в результате чего на высоте 20 км возникает вторичное высокое энергетическое

излучение, состоящее из мезонов, нейтронов, протонов, злектронов. Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем зкваториальные области, из- за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых в основном и состоят космические лучи).

Люди, живущие на уровне моря, из-за космических лучей получают в среднем эффективную эквивалентную дозу около 300 мк3в в год, люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают дозу облучения в несколько раз больше. Еще более интенсивному, хотя и относительно непродолжительному, облучению подвергаются экипажи и пассажиры самолетов. При подъеме на высоту от 4000 м (максимальная высота человеческих поселений деревни шерпов на склонах Эвереста) до 12 000 м (максимальная высота полета трансконтинентальных лайнеров) уровень облучения возрастает в 25 раз.

Б состав земных источников излучений входят 32 радионуклида ураново-радиевого и ториевого семейств, а также 40К, 81Кп и многие другие с большим периодом полураспада. Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в определенном участке земной коры. Так 95% населения Франции, Германии, Италии, Японии, США живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до 0,6 мзв в год. Известны места, где уровни земной радиации намного выше.

Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае речь идет о внешнем облучении. Оно связано с у-излучением нуклидов, содержащих- ся в верхнем слое почвы, в воде, в нижних слоях атмосферы. Внутреннее облучение вызвано попаданием внутрь организма радионуклидов с воздухом, водой, пищей. В районах с нормальным фоном радиации доза внутреннего облучения 1,35 мЭв (135 мбэр) почти вдвое больше дозы внешнего облучения 0,65 мЭв (65 мбэр), из которого 0,3 мзв (30 мбэр) приходится на космическое облучение.

Основная масса радиоактивных элеiентов Земли содержится в горных породах,

составляющих земную кору. Отсюда радиоактивные элементы переходят в грунт, затем в растения и, наконец, вместе с растениями попадают в организм животНЫХ и человека. Большая роль в этом круговороте принадлежит подземным водам. Они вымывают радиоактивные элементы горных пород, переносят их с одних мест на другие — так осуществляется обмен между живой и неживой природой.

другой процесс, яриводящий к распространению радиоактивных веществ в био- сфере, — выветривание горных пород. Мельчайшие частицы, образовавшиеся в результате разрушения горных пород, под действием воды, льда, непрерывных колебаний температуры и других факторов переносятся ветром на значительные расстояния.

Говоря о роли земной коры в создании естественного радиационного фона, целесообразно подробнее остановиться на роли газа радона. Лишь недавно ученые поняли, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимьтй, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раз тяжелее воздуха) ра дон. В природе радон встречается как член радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238 и тория-232 (соответственно, радон222 и радон-220). Радон высвобождается из земной коры повсеместно.

Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответственен примерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадаюiцих в его организм вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях.

Радон конце}iтрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступал внутрь помещения тем или иным способом (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон скапливается в нем. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку это затрудняется выход газа из помещения.

Самые распространенные строительные материалы — дерево, кирпич и бетон — выделяют относительно немного радона. Гораздо большей удельной радиоактивностью обладают гранит, пемза, используемые в качестве строительных материалов.

Еще один, как правило, менее важный источник поступления радона в жилье представляют собой вода и природный газ. Однако основная опасность, как это ни удивительно, исходит вовсе не от питья воды, даже при высоком содержании в ней радона. Люди потребляют большую часть воды в составе пищи и в виде горячих напитков (чай, кофе). При кипячении же воды или приготовлении горячих блюд значительная часть радона улетучивается. Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной. При обследовании домов в фииляндии оказалось, что в среднем концентрация радона в ванной комнате в З раза выше, чем на кухне, и приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых комнатах. Исследования, проведенные в Канаде, показали, что все

7 минут, в течение которых был включен теплый душ, концентрация радона и его

дочерних продуктов в ванной комнате быстро возрастала, и прошло более полу- тора часов с момента отключения душа, прежде чем содержание радона вновь упало до исходного уровня [20].

В процесс)кизнедеятельиости растения угваивают, а некоторые и накапливают в себе радиоактивные вещества, содержащиеся в почве, воде и в воздухе. Из всех радиоактивных веществ лучше всего усваивается растениями калий. Радиоактивность растений увеличивается от применения калийньгх удобрений, которые приводят одновременно к повышению урожайности и улучшению качества различных сельскохозяйственных культур (повышение сахаристости сахарной свеклы, крахмалистости зерен озимой пiленицы и т. д.).

В радиоактивности растений и животных — причина радиоактивности пищевых продуктов. Вместе с пищей радиоактивные вещества попадают в организм человека (табл. 12.3). Вместе с пищей, водой, воздухом определенное количество радиоактивных элементов попадает в организм человека. Если бы все они оставались в организме, то радиоактивность человека была бы очень велика. Однако это не так — значительная их часть выделяется из организма вместе с мочой, калом, потом и др., то есть общая радиоактивность человека зависит от интенсивности обменных

процессов.

12.3. АЭС и урановые рудники как

источники радиоактивного загрязнения

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются АЭС, хотя в настоящее время они вносят весьма незначительный вклад в суммарное облучение населения. При нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду очень невелики. доза облучения от ядерного реактора зависит от времени и расстояния. Чем дальше человек живет от атомной электростанции, тем меньшую дозу он получает. Каждый реактор выбрасывает в окружающую среду целый ряд радионуклидов с разными периодами полураспада. Большинство радионуклидов распадается быстро и поэтому имеет лишь местное значение. Однако некоторые из них живут довольно долго и могут распространяться по всему земному шару, а определенная часть изотопов остается в окружающей среде практически вечно. При этом различные радионуюiиды ведут себя по-разному: одни распространяются в окружающей среде быстро, другие — чрезвычайно медленно.

Ядерные реакторы работают на ядерном топливе. Примерно половина всей ура- новой руды добывается открытым способом, а другая половина — шахтным. добытую руду везут на обогатительную фабрику, обычно расположенную неподалеку. И рудники, и обогатительные фабрики служат источником загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Если рассматривать лишь не продолжительные периоды времени, то можно считать, что почти все загрязнение связано с местами добычи урановой руды. Обогатительньге же фабрики создают проблему долговременного загрязнения: в процессе переработки руды образуется огромное количество отходов — 4хвостов». Например, вблизи действующих обогатительных фабрик в Северной Америке скопилось уже 120 млн тонн отходов, и если положение не изменится, к концу века их количество возрастет до 500 млн тонн [20].

Эти отходы будут оставаться радиоактивными в течение миллионов лет. Таким образом, отходы являются главным долгоживущим источником облучения населения, связанным с атомной энергетикой. Однако их вклад в облучение можно уменьшить, если отвалы заасфальтировать или покрыть их поливинилхлоридом. Конечно, покрытие необходимо будет регулярно менять.

Урановый концентрат, поступающий с обогатительной фабрики, подвергается дальнейшей переработке и очистке и на специальных заводах превращается в ядерное топливо. В результате такой переработки образуются газообразные и жидкие радиоактивные отходы, однако дозы облучения от них намного меньше, чем на других стадиях получения ядерного топлива.

12.4. Аварии на радиационно-опасных

объектах

Катастрофа на Чернобыльской АЭС стала самой страшной за весь период существования атомной энергетики трагедией для населения не только бывшего СССР, но и других стран Европы. Аварии на АЭС случались и раньше как в бывшем СССР, так и за рубежом.

Самая болыпая до Чернобыльской катастрофы авария произошла на американской АЭС 7}л’майл-Айленду,.

28 марта 1979 г. на АЭС 4Тримайл-Айленд» из-за потери охлаждения реактора расплавилась активная зона, произошел выброс радиоактивных газов в атмосферуи жидких радиоактивных отходов в реку Сукуахана. Блок 2, на котором произогяла авария, не был оснащен дополнительной системой обеспечения безопасности. ЗаЗ! марта и 1 апреля из 200 тыс, человек, проживающих в радиусе 35 км от станции, около 80 тыс, покинули свои дома. В ночь с 28 на 29 марта в верхней части корпуса начал образовываться газообразный пузырь. Активная зона разогрелась до такой степени, что из-за химических свойств циркониевой оболочки стержней произошло расщепление молекул воды на водород и кислород. Пузьтрь объемом около 30 м3, состоявший главным образом из водорода и радиоактивных газов — криптона, аргона, ксенона и др., — сильно препятствовал циркуляции охлаждающей воды, поскольку давление в реакторе значительно возросло. Но главная опасность заключалась в том, что смесь водорода и кислорода могла в любой момент взорваться (что и произошло в Чернобыле). Сила взрыва была бы эквивалентна взрыву З т тринитротолуола, что привело бы к неминуемому разрушению корпуса реактора. В другом случае смесь водорода и кислорода могла проникнуть из реактора наружу и скопилась бы под куполом защитной оболоч’ки. Если бы она взорвалась там, все радиоактивные продукты деления попали бы в атмосферу (что произошло в Чернобыле). Уровень радиации в защитной оболочке достиг к тому времени 30 000 бзр/ч, что в 600 раз превышало смертельную дозу. Кроме того, если бы пузырь продолжал увеличиваться, он постепенно вытеснил бы из корпуса реактора всю охлаждающую воду, и тогда температура поднялась бы настолько, что расплавился бы уран (что произошло в Чернобыле). В ночь на 30 марта объем яузыря уменьшился на 20%, а 2 апреля его объем составлял всего лишь 1,4 м3. Чтобы окончательно ликвидировать пузырь и устранить опасность взрыва, техники применили метод так называемой дегазации воды.

Первая крупная ядерная авария в СССР произошла 29 сентября 1957 г. на Южно-Уральском заводе по производству атомного оружия. Это был секретный объект под названием *Челябинск-40. Об этой аварии, которую принято называть уральской ядерной катастрофой, шру поведал змигрировавагий на Запад советский ученый Жорес Медведев, переславший свою рукопись в английский журнал «Нью сайнтист (4 ноября 1976 г.). Советская сторона долго замалчивала сам факт аварии, но в июне 1989 г., спустя 32 года после аварии, все же опубликовала сообщение об этом событии.

29 сентября 1957 г. в 16 ч 20 мин по московскому времени взорвалась одна из «банок вечного хранения», содержавшая отходы ядерного производства. В этой «банке» -контейнере находился раствор отработанного высокоактивного вещества, общая активность которого составляла 20 млн Ки (1 Ки = 3,700. 10’ Бк. Один беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида). Выброс же составил 2 млн Ки, остальные 18 млн Ки осели на землю около контейнера.

Объем «банки хранения» ЗОО м3. Она представляет собой бетонную емкость, внутренняя поверхность которой изготовлена из нержавеющей стали. Бетонная крышка контейнера толщиной 1 м находилась под землей. В результате взрыва ее подбросило на несколько десятков метров, в земле образовался кратер диаметром 30 м и глубиной 5 м. Радиоактивное облако поднялось на высоту 1000 м. Исходя из показателей, ученые предположили, что мощность взрыва соответствовала 70 т тринитротолуола.

При взрыве никто не погиб. Непосредственно сразу после аварии, в течение 7—10 дней, из близлежащих населенных пунктов было выселено 600 человек,

а в последующие 1,5 года — около 10 тыс, человек. Максимальные средние дозы

облучения, полученные до эвакуации, достигали 17 бзр по внешнему облучению

и 52 бэра по эффективной эквивалентной дозе.

Взрыв разбросал радиоактивные элементы на территории, протянувпiейся на 105 км в длину при ширине *следа 8—9 км. К счастью, он пришелся на места малонаселенные. Разовые дозы облучения жителей деревень, что попали в зону выброса, были не опасными для здоровья. Но грязными стали почва и водо

емы, растущие здесь лес и травы. Почти все выпавшие радионуклиды относились к короткоживущим. Среди радионуклидов, обладавших сравнительно продолжительным периодом полураспада, можно назвать цезий (60%), цирконий (25%), рутений (4%), стронций-90 (2,7%). Почти у всех выявленных радионуклидов, кроме стронция (период полураспада 28,8 года), период полураспада составлял от 1 месяца до 1 года, поэтому можно с уверенностью предположить, что в настоящее время в районе катастрофы можно обнаружить лишь стронций-90.

В 1981—1985 гг. на советских атомных станпиях произошли 1042 аварийные остановки энергоблоков, в том числе 381 на АЭС с реакторами РБМК. На Чернобыльской АЭС таких случаев было 104, из них 35 — но вине персонала (из протокола заседания Политбюро ЦК КПСС, проходившего 3 июля 1986 г.). Предупреждающий тревожный сигнал звучал и не единожды?

12.5. Чернобыльская катастрофа

и ее последствия

Чернобыльскал АЭС расположена в 18 км от г. Чернобыль и в 150 км от Киева. В 4 км от АЭС расположен город атомщиков Припять, названный так по имени реки, которая несет свои воды в Днепр. По генеральному плану предполагалось, что в Припяти будут жить до 80 тысяч жителей.

Общая численность населения в 30-километровой зоне вокруг АЭС была свыше 100 тыс. чел. (средняя плотность населения — 70 чел./км2). Около 50 тыс, проживало в Припяти, более 12 тыс. — в Чернобыле. Обслуживающий персонал АЭС насчитывал около 6,5 тыс. чел.

К 1986 г. в эксплуатации находилось 4 знергоблока первой и второй очереди.

В 1,5 км к юго-востоку от главного корпуса велось строительство двух энергоблоков третьей очереди.

Авария на Чернобыльской АЭС — одна из крупнейших экологических катастроф. Облако, содержащее 30 млн Ки, накрыло территорию, границы которой:

на севере — Швеция, на западе — Германия, Польша, Австрия, на юге Греция, Югославия. Причиной аварии явился ряд допущенных работниками электростанции грубых нарушений правил эксплуатации реакторных установок. Произошло внезапное нарастание мощности реактора, что привело к резкому повышению температуры и давления в его активной зоне и контуре теплоносителя и к последующему взрыву реактора с разрушением реакторного здания. Аварийная защита реактора в этих условиях должна была автоматически сработать от любого их ряда аварийных сигналов н предотвратить нарастание реакции деления ядерного горючего.

Авария произошла 26 апреля 1986 г. в 1 ч 23 мин, В это время на станции работало около 400 человек. С момента катастрофы возникли три важнейшие и требовав аiие немедленного решения задачи: борьба с пожаром на АЭС, предотвращение развития аварии в активной зоне реактора и определение ее масштабов для принятия практических мер по ликвидации последствий.

Через 5 минут после возникновения аварии в район 4-го блока прибыло дежурное подразделение АЭС, затем пожарные расчеты из городов Припять и Чернобьтль. Благодаря самоотверженным действиям пожарных уже к 2 ч 10 мин на крыше машинного зала и к 2 ч 30 мин на крыше реакторного отделения основные очаги пожаров были подавлены, а к 5 часам пожар на 4-м энергоблоке был ликвидирован полностью.

Над реактором стоял радиационный ало-сизый столб. Реактор пылал — продолжалась плазменная реакция. Необходимо было измерить уровень радиации — предполагалось, что он от 3,5 до 5 тыс. рентген. Кроме радиации, над реактором была температура 120—180 °С. Уровень радиации замерялся с вертолетов. Вертолет зависал над центром взорванного энергоблока на высоте 200 м, открывался люк, и на стальном тросе в пылающий зев опускался зонд.

Понимая, что такое мощное радиоактивное излучение может «накрьхть пол- Европы, правительственная комиссия приняла решение — забросать источник излучения песком, бором, свинцом, чтобы затушить радиационное пламя.

В кабину вертолета грузили по 8—10 мешков с песком, бором и свинцом. Зависнув над реактором и привязав себя страховочными ремнями, борттехник вручную сбрасывал эти мешки. Но это была капля в море. Позже придумали подвешивать их на балочных держателях, как авиабомбы. Продуктивность увеличилась.

В общей сложности разными способами вертолетчики сбросили в реактор около 5 тыс. т разных грузов. Однако реактор продолжал работать. Температура уже поднялась до критической отметки 400 °С. Стали срочно сбрасывать свинец — он погасил температуру. За один день было сброшено около 1500 т свинца.

В начале мая возникла опасность, что раскаленные радиоактивные массы, прожигая себе путь, опустятся вниз и в конце концов достигнут грунтовых вод, загрязнив их. Для прекращения этих процессов было решено прорыть тоннель под реактор, соорудив теплообменник на бетонной плите с принудительным охлаждением. Шахтеры прокладывали тоннель, а воины-химики обеспечивали контроль радиационной обстановки в месте работ и безопасную смену бригад. Основная тяжесть ликвидации последствий аварии на Аэс легла на военнослужащих вс РФ. За весь период работ была дезактивирована территория площадью 140 млн м2. (Дезактивация — это удаление радиоактивных веществ с вооружения, техники, обмундирования, продовольствия, местности и воды.) с учетом неоднократной обработки дезактивировано более 500 населенных пунктов, около 10 тыс, км дорог, локализовано радиоактивное заражение местности на площади 25 тыс, га. Вьтвезено и захоронено свыше 374 тыс, м3 грунта. Обработано около 650 тыс, единиц техники и свьппе 3 млн человек личного состава.

Только за два с половиной года с участием личного состава частей и соединений химических и инженерных войск проведена дезактивация территории АЭС площадью около 5 млн м2 и внутренних помещений площадью более 20 млн м2, вывезено и захоронено около 500 тыс, м3 загрязненного оборудования, строительных конструкций и грунтов. Вырублено и локализовано 115 га 4рыжего леса.

Сложность поставленных перед ликвидаторами задач состояла в том, что опыта ликвидации последствий таких аварий не было, приборы, рассчитанные на дозы облучения военного времени, не позволяли с необходимой точностью проводить измерения, техника подразделений специальной обработки не предназначена для проведения дезактивации местности и помещений в таких масштабах и условиях.

Общая площадь загрязненных в результате аварии на чэс территорий (уровень радиации более 1 Ки/км2) — 57 000 км2. данные о площади территорий, пострадавiлих от Чернобыльской катастрофы, с повышенным уровнем загрязнения с8137 приведены в табл. 12.4 и 12.5 (по состоянию на 1996 г.). Уровни загрязнения от 15 до 40 Ки/км2 и более имеются только в I5рянской об ласти; от 5 до 15 Ки/км2 — в Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областях; от 1 до 5 Ки/км2 — в 19 субъектах Российской Федерации: в 16 областях (Брянской, Белгородской, Воронежской, Калужской, Курской, Ленинградской, Липецкой, Нижегородской, Орловской, Пензенской, Рязанской, саратовской, Смоленской, Тульской, Тамбовской, Ульяновской) и З республиках (Мордовии, Татарстане и Чувашии).

По данным Союза 4Чернобыль», только к ликвидации последствий аварии привлекалось 835 тыс, человек. Каждый 10-й из них — инвалид, каждый 25-й ушел из жизни.

От последствий аварии больше всего пострадали ликвидаторы 1986—1987 гг., дети и подросткн до 14 лет, те, кто родился незадолго до этой катастрофы или после нее. На детей и подростков особенно пагубно воздействовали короткоживущие радионуклиды йода. Иод, попадая в организм, быстро накапливается в щитовидной железе. Повышенная его концентрация в конце концов приводит к злокачественньхм образованиям — раку щитовидной железьт. Но это выяснилось не сразу: латентный период продолжался около 5 лет, Начиная с 1991 г. наблюдается стремительный рост этого заболевания у детей. В Брянской, Орловской, Тульской и Калужской областях, где проживает более 1 млн детей до 14 лет, зарегистрировано 124 случая рака щитовидной железы, вызванных радиацией. Чернобыльская АЭС перестала быть источником электроэнергии, но остается источником большой опасности и будет им еще по меньшей мере 100 лет. до сих пор никто не может сказать точно, что происходит внутри 4саркофага* которым накрыт 4-й реактор станции. Пока еще не выгружено топливо из 1-го блока ЧАЭС (2001 г.), 2-й — уже освобожден от него. Вывести из эксплуатации остановленный 3-й энергоблок планируется к 2008 г. — все ядерное топливо извлекут из реактора, а радиоактивные отходы надежно захоронят. до этого времени и сама станция, и З-й энергоблок будут считаться ядерно-опасными объектами. Последствия Чернобыльской аварии оказались страшными не только для России. Только на Украине за последние 10 лет умерли 4 тыс, ликвидаторов аварии на ЧАЭС. Еще 70 тыс. стали инвалидами. Примерно 7% жителей страны, а это около трех миллионов человек, в той или иной степени испытали на себе влияние Чернобыля, получив различные болезни.

По самым скромным оценкам, экономический ущерб, нанесенный Белоруссии в результате аварии на ЧАЭС, составил 235 млрд долларов, 23% территории государства оказались загрязненньтми выброшенными из поврежденного реакторарадиочуклидами. Каждый 5-й житель Белоруссии пострадал от аварии, и, что са-

мое страшное, здоровью более полумиллиона детей был нанесен непоправимый вред.

В чем принципиальное отличие аварии на АЭС от ядерного взрыва? По радионуклидному составу выброшенная из реактора активность была гораздо сложнее, чем состав продуктов мгновенного взрыва атомной бомбы. Выброс радионуклидов из жерла раскаленного реактора продолжался с различной интенсивностью более 10 сугок, меняя направление и высоту подъема. В течение всего времени выброса направление ветра в слое от О до 1000 м изменилось на 360°. Смена метеоусловий, выпадение осадков привели к пятнистости радиоактивного загрязнения местности. Расположение источников излучения после взрыва на 4-м блоке ЧАЭС либо вообще не поддается описанию, либо может быть описано весьма приблизительно. При ядерном же взрыве, который происходит в считанные доли секунды, границы следа радиоактивного облака изображают в виде эллипса, вытянутого по направлению движения ветра.

Площадь радиоактивного заражения после аварии, по сравнению с площадью после ядерного взрыва, ничтожно мала. Так, площадь с уровнем дозы 1 Р/ч составляла менее 10 км2 (при ядерном взрыве — сотни квадратных километров). Спад радиации после аварии на АЭС идет значительно медленнее, чем после взрыва. На ЧАЭС степень радиоактивного заражения через год (к 1 мая 1987 г.) уменьшилась в 55 раз.

Может ли АЭС выйти из-под контроля и взорваться, как атомная бомба? Нет. Атомные бомбы и реакторы на тепловых нейтронах в корне различны. В атомной бомбе применяется почти абсолютно чистый уран-235 или плутоний-239. Для того чтобы произошел взрыв, отдельные 4куски» этих делящихся материалов должны быть быстро соединены для образования критической массы взрыва.

В реакторе же атомной станции используется топливо, содержащее лишь малую часть урана-235. Более того, эта малая доза распределена в большом объеме неделящегося топлива, которое, в свою очередь, распределено по конструкционным элементам реактора. Таким образом, случай ное сжатие больших количеств топлива, необходимых для взрыва, принципиально невозможно. Чернобыльская авария произошла в результате развития неуправляемой самоподдерживающейся цепной ядерной реакции, однако скорость выделения энергии и ее масштаб принципиально не соответствовали параметрам ядерного взрыва.

После аварии на ЧАЭС был принят и внедрен в практику целый комплекс мер по повышению безопасности энергетических реакторов РБМК, в частности, модернизированьг системы управления и защиты (СУЗ). Раньше для погружения в активную зону стержней, гасящих нейтронный поток, требовалось 18 с, сейчас — 12 с. Введена дополнительная быстродействующая система аварийной защиты, время срабатывания которой составляет 2 с. Естественно, эти операции возложены на автоматику, причем системы ее многократно дублированы. Ужесточен контроль состояния трубопроводов наиболее важных систем АЭС. Намного чаще, чем раньше, контролируется состояние металла, из которого они изготовлены. Проведение разного рода нерегламентных испытаний энергоблоков (а именно это послужило причиной аварии на ЧАЭС) строжайше запрещено. Штатные испытания; связанные с изменением мощности реактора или его остановкой, проводятся только в присутствии главного инженера станции и инспектора Госпроматомнадзора России.

Уже после катастрофы в Чернобыле Международным агентством по атомной энергетике (МАГАТЭ) была разработана и с 1 сентября 1990 г. внедрена в бывшем СССР Международная шкала событий на АЭС (табл. 12.6).

12.6. действия населения при аварии на атомных электростанциях

Причины и последствия Чернобыльской трагедии хорошо изучены специали стами. Поэтому на сегодняшний день наиболее точно можно спрогнозировать последствия аварии с реакторами таких же типа и мощности, как на Чернобыльской АЭС. На территории России такие реакторы стоят на Ленинградской АЭС (4 РБМК по 1000 МВт каждый), Смоленской (З РВМК по 1000 МВт), Курской (4 РБМК по 1000 МВт).

В результате возможной аварии с разрушением ядерного реактора радиоактивные вещества в виде ггаровоздушной смеси выбрасываются на высоту до З км в течение нескольких суток. Облако выброса будет распространяться от АЭС по направлению ветра.

В момент прохождения облака выброса и после него в результате радиоактивного загрязнения воздуха и местности люди будут подвергаться внешнему и внутреннему облучению в случаях попадания радиоактивных частиц с вдыхаемьве воздухом, а также при употреблении загрязненных пищи и воды.

За время прохождения облака люди, находящиеся на открытой местности, могут

получить дозы внешнего облучения в пределах нескольких рентген. доза внут-реннего облучения щитовидной железы за счет присутствия радиоактивного йода в облаке выброса при допустимой дозе 30 бэр может достигать:

для детей — от 50 до 300 бэр;

Щ для взрослых — от 15 до 100 бэр.

Поэтому очень важно своевременное проведение йодной профилактики. Защитный эффект и порядок ее проведения представлены в табл. 12.7 и 12.8.

В 100 раз

В 90 раз

В 10 раз

В 2 раза

Установлены временные допустимые нормы радиационного заражения:

Ц кожные покровы человека, нательное белье, полотенце, постельное белье, обувь,

средства индивидуальной защиты — 0,07 мр/ч;

Ц поверхности помещений, внутренняя поверхность транспортных средств — 0,15 мр/ч;

транспорт и покрытие дорог — 0,2 мр/ч.

С 1976 г. в СССР действовали Нормы радиационной безопасности (НРБ-76). После Чернобыльской катастрофы они были уточнены, дополнены и получили наименование НРБ-76/87, но со временем утратили свое значение. Требовалось коренным образом пересмотреть радиационную безопасность населения, ужесточив правила защиты людей от различного рода ионизирующих излучений (НИ).

9 января 1996 г. Президент РФ подписал федеральный закон Н2 3-Ф3 40 радиа ционной безопасности населения. В нем приведены основные определения некоторых терминов и установлено государственное нормирование в области обеспечения радиационной безопасности.

Законом устанавливаются следующие основные гигиенические нормативы (допустимые пределы доз) облучения в результате использования источников НИ:

длл населения средняя годовая эффективная доза равна 0,001 Эв, за период

жизни (70 лет) — 0,07 Эв;

Прием препарата стабильного йода

Таблица 12.7. Защитный эффект в результате проведения йодной профилактики

За б ч до разового поступления йода-1З1

Во время разового поступления йода-1З1

Уменьшение дозы облу щитовидной железы

Через 2 ч после разового поступления йода-131

Через б ч после разового поступления йода-1З1

дети старше трех лет. Взрослые (прием не более 10 суток)

Таблица 128. Порядок проведения йодной профилактики

йодистый калий,

1 таблетка 1 раз

в суткi

дети до трех лет. Беременпые жешцины (прием не более 2 суток)

5%-ная настойка йода, 3—5 капель на 200 мл воды З раза в сутки

йодистый калий,

1/2 таблетки 1 раз

П Ё’?ТТСi

5%-вая настойка йода, 1—2 капли на 100 мл воды З раза в суткио для работчгiхов средняя годовая эффективная доза равна 0,02 Зн, за период трудовой деятельности (50 лет) 1 Зн. допустима годовая эффективная доза облучение до 0,05 Зн, но при условии, что она, исчисленная за пять последовательньгх лет, не превысит 0,02 Эв.

Эти нормативы введены в действие с 1 января 2000 г. На основе этого закона

были разработаны и постановлением Госкомсанэпиднадзора РФ от 19 апреля

1996 г. 3’1 7 введены в действие новые Нормы радиационной безопасности

НРБ-96, затем они были уточненьг и вступили в действие под названием НРБ-99.

В новых Нормах радиационной безопасности изменена классификация облучаемых лиц, они разделены на две категории (табл. 12.9):

о персонал — лица, работающие с НИ (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Ь);

о население, не занятое в сферах производства и обслуживания.

При аварии на АЭС система водоснабжения в результате радиоактивного заражения воды выйдет из строя на 70%, (Однако, по опыту аварии на ЧАЭС, в источниках питьевой воды населенных пунктов Киевской области — колодцах и артезианских скважинах — в течение мая — июня 1986 г. радиоактивное загрязнение практически не отмечалось. Лишь в некоторых открытых колодцах определялись йод-1З1 и другие радионуклиды.) Авария на АЭС практически не окажет влияния на состояние транспортных магистралей, систем электро-, газо- и теплоснабжения, канализации, систем управления, оповещения и связи.

В случае аварии на АЭС с одним из знергоблоков, подобно Чернобыльской, спад уровней радиации будет составлять:

о за 1-е сутки— в 2 раза;

о заЗ0суток—в5раз;

Ц за б месяцев — в 40 раз; о загод—в85раз.

Радиоактивные вещества проникают в организм человека главным образом через желудочно-кишечный тракт и в меньшей степени — через органы дыхания, так как эти вещества относительно быстро оседают на поверхность земли, а зараженные продукты и вода используются длительное время. Чтобы избежать заражения. необходимо принять меры, предотвращающие поступление в организм радиоактивных веществ с продовольствием и водой. Запасы продовольствия и воды следует хранить в пыле- и водонепродицаемых емкостях. Хотя внешняя поверхность таких емкостей может оказаться зараженной радиоактивнымивеществами, все же большую их часть можно удалить перед открыванием емкостей путем смьтвания.

Если запасы продовольствия оказались зараженными и возникла необходимость потребления зараженных продуктов, их необходимо подвергнуть дезактивации. Например достаточно обмыть многие свежие фрукты й овощи или снять с них кожуру. Плохо дезактивирующиеся продукты, имеющие пористую поверхность, подлежат уничтожению. Молоко находящихся в зараженной зоне коров из-за наличия в нем радиоактивного йода, возможно, окажется непригодным для употребления в пищу, так как молоко может оставаться радиоактивным в течение нескольких недель.

При заражении водоемов радиоактивные вещества могут поступать в организм человека по биологическим цепочкам евода — водоросли», планктон — рыба — человек* или, если водоем служит для питьевого водоснабжения, непосредственно по пепочке ‘вода — человек». На водопроводных станциях питьевая вода, забираемая из наземных источников, может быть очищена от радиоактивных веществ осаждением коллоидньгх частиц с последующей фильтрацией. Питьевая вода, получаемая из подземных скважин либо хранящаяся в герметических емкостях, обычно не заражена радиоактивными веществами.

Среди мероприятий по сокращению поступления радиоактивных веществ в организм человека важное место отводится использованию средств защиты органов дыхания, для этой цели в первую очередь применяются ресшiраторы различных типов (Р-2, ‘Лепестоiо и др.). При отсутствии респяраторов могут быть использованы все типы фильтрующих противогазов и простейшие средства защиты органов дыхания, такие как противопыльная тканевая маска ПТМ-1, ватно-марлевая вовязка (ВМП) и др. Кожа человека может подвергаться заражению в результате попадания радиоактивных веществ, поэтому пребывание людей в период выпадения радиоактивных веществ в защитных сооружениях или в жилых и производственных зданиях может исключить либо существенно ограничить заражение кожных по- кровов. По окончании выпадения радиоактивных веществ надо, по возможности, избегать появления на улице в сухую ветреную погоду, хотя заражение кожных покровов людей в результате вторичного пылеобразования менее опасно, при первичном заражении местности. Кожные покровы могут быть также защищены обычной одеждой, приспособленной для этого соответствующим образом. Чтобы обеспечить герметичность, например, по нагрудному разрезу куртки, применяют нагрудньтй клапан, изготовленный из любой плотной ткани. для защиты шеи, открытых частей головы и создания герметичности в области воротника используют капюшон из плотной хлопчатобумажкой или шерстяной ткани. Можно использовать также обычные платки, куски ткани и т. д. Следует по возможности герметизировать места соединения куртки с брюками, рукавов с перчатками, нижнего края брюк с обувью.

дезактивировать кожу нужно, смывая с нее радиоактивные вещества, В качестве

дезактивирующих растворов можно применять воду, а также водные растворымоющих средств. Если радиоактивная пыль попала в рот, нос и уши, их гiромы вают водой или водным раствором марганцовки, при этом радиоактивные Вещества удаляются почти полностью. Если радиоактивная пыль попала в рану, ее необходимо несколько раз промыть и по возможности вызвать кровотечение под струей воды, что будет способствовать наиболее полной дезактивации.

Контрольные вопросы

1, Что такое радиоактивность?

2. Назовите естественные источники радиоактивности.

З. Какие АЭС, расположенные на территории России, вы знаете?

4. Каким образом АЭС влияют на экологию и здоровье населения?

5. Какие наиболее крупные аварии на АЭС за рубежом вы знаете?

6. Расскажите о Чернобьгльской катастрофе.

7. Перечислите правила поведения населения при аварии на АЭС. Глава 13

Гидродинамические аварии

13.1. Водные ресурсы и водное

хозяйство страны

Вода играет большую роль в народном хозяйстве и жизни человека. Запасы воды на Земле велики это воды озер, морей и океанов; воды речного стока; грунтовые воды. Вода распределяется неравномерно по земной поверхности и во времени и может быть различного качества. В стране есть засушливые районы и районы, страдающие от избыточного увлажнения земной поверхности. Часто весной избыток воды причиняет ущерб определенной территории, а в другое время года этот же район может страдать от ее недостатка.

Из-за отмеченной неравномерности распределения воды часто приходится проводить ряд дорогостоящих инженерных мероприятий, преследующих цель получить воду в данном месте и в определенном ее количестве в определенный момент времени. Совокупность такого рода инженерных мероприятий образует определенную часть народного хозяйства, называемую водным хозяйством. Различают следующие четьре основные отрасли водного хозяйства:

1. Гидроэнергетика, то есть использование движущей силы воды как источника энергии.

4. Водная мелиорация: использование воды для орошения земель (ирригаци отвод избыточных грунтовых вод с территории (осушение); использование воды для так называемого обводнения земель, то есть устройство отдельных водоемов сельскохозяйственного назначения.

Следует подчеркнуть, что один и тот же водный поток может быть применен

в разных отраслях народного хозяйства. Например, одна и та же река может

2. Водный транспорт, то есть использование воды в качестве путей сообщения.

З. Водоснабжение и канализац,мя населенных мест. быть использована как источник энергии, водный путь, для орошения земель, ведения рыбного хозяйства и т. д.

Отсюда вытекает важный принцип комплексности водохозяйственных мероприятий. Примером комплексного решения водохозяйственной проблемы является строительство (1932—1937 гг.) канала им. Москвы, который обеспечивает судоходство между Москвой-рекой и Волгой, водоснабжение Москвьг, получе-

ние электрической энергии на ряде гидростанций, улучшение санитарных условий в столице и др.

13.2. Общие понятия о гидротехнических

сооружениях и их классификация

Гидротехническим сооружением называется инженерное сооружение, построенное для решения тех или других водохозяйственных задач.

Все гидротехнические сооружения (ПС) делятся на две категории (табл. 13.1.):

щ Общие ГТС, применяемые в двух или нескольких различных отраслях водного хозяйства.

о Специальные ТГС, используемые только в одной отрасли водного хозяйства. В связи с комплексностью решения водохозяйственных проблем и по целому ряду других соображений очень часто некоторые из перечисленных гидросооружений приходится группировать в комплексы. Такие комплексы гидросооружений называют гидроузлсмiа. Особенно сложными бывают речные гидроузлы на равнинных реках; в них обычно входят плотина, здание ГЭС, судоходный шлюз, какой-либо водозабор (например, для орошения земель) и т. д.

13.2.1. Основные цели устройства плотин

На примере гидротехнического сооружения в виде плотины удобно пояснить

почти все общие гидротехнические принципы проектирования любых специальных гидросооружений.

Плотины устраивают с целью:

i поднятия уровняя воды в реке и регулирования этого уровня;

Е] создания хранилища для воды (водохраяилища),

Поднятие уровня воды в реке бывет необходимым:

Ц при устройстве ГЭС;

Ц для отвода воды из реки каналом на орошение земель;

Ц для улучшения условий судоходства — увеличения глубины воды и уменьшения скоростей в реке;

Ц для увеличения глубин в месте устройства водоподгьемников гидромелиоративных систем и систем водоснабжения; с увеличением таких глубин условия забора воды из реки облегчаются;

Е] по санитарным соображениям и т. д.

Плотины, построенные с целью поднятия уровня воды в реке, называют водоподь ем н ым и

Создание водохранилищ преследует следующие цели:

Ц получить водоем для регулирования стока реки (в период многоводья вода скапливается в водохранилище; в засушливый же период эта вода расходуется из водохранилища, причем расход речной воды во времени выравнивается);

Е] получить водоем, необходимый, например, для работы так называемых гидроаккумулирующих установок, для рыбного хозяйства и т. п. Уровень воды в водохранилище во время его эксплуатации может меняться.

Плотины, построенные для создания водохранилища, называют волохранилищными

В некоторых случаях одну и ту же плотину устраивают и для поднятия уровня воды в реке, и для образования водохранилитда. Такая плотина будет и водоподъемной, и водохранилищной. 13.2.2. Основная классификация плотин

По своему назначению плотины бывают трех видов: водоподъемные, водохранилищные и водохранилищкые и водоподъемные. Плотины отмеченньгх трех вцдов делятся на две основные группы:

Щ Глухие плотины — это плотины, непосредственно через которые воду не сбрасывают; пропуск воды через створ плотины (если он требуется) осуществляется береговыми водопропускными сооружениями или через отверстия, хотя и сделанные в теле плотины (или ее основании), но имеющие весьма малую

ширину по сравнению с длиной плотины.

ц Водосбросные (водопропускные) плотины — это плотины, по длине которых устраивают достаточно широкие (по сравнению с длиной плотины) водопропускные отверстия (безнапорные или напорные).

Глухие плотины можно классифицировать по различным признакам:

По материалу, из которого возводится тело плотины:

ц из грунтового материала, то есть из обычного грунта или каменной наброски;

ц из бетона, то есть искусственного камня;

из железобетона и т. д.

По конструктивным признакам и условиям статической работы различают:

ц гравитационные плотины (рис. 13.1, а), то есть плотины, устойчивость которых обеспечивается благодаря их собственному весу, — горизонтальному гидростатическому давлению Р в данном случае противопоставляется сила сопротивления сдвигу 7’, действующая на подошве секции плотины; эта сила зависит от веса С плотины: Т = /С + сА, где/ — коэффициент внутреннего трения грунта основания; с — удельное сцепление грунта; А — площадь подошвы плотины; мы; для этого контрфорсные плотины имеют большой уклон верховой грани; в конструктивном отношении они представляют собой ряд контрфорсов треугольной формы, на грани которых опираются плиты (или своды);

Щ прочные плотины (рис. 13.1, в), работающие как свод, поставленный на тоiзец

и упирающийся своими пятками в скальные берега.

Водоебросные (водопропусиные) плотины различаются

мости от характера пропуска воды через них):

бодослиеiiые плотины, водосбросный фронт которых образован поверхностными отверстиями, — такие плотины главным образом и сооружаются;

о водопропускчые плотины, водосбросный фронт которых образован глубинными (водопропускными) отверстиями.

В конструктивном отношении различают водосливные плотины: гравитационные,

контрфорсньте и арочные.

13.3. Состояние гидротехнических

сооружений Российской Федерации

В мире построено свыше 100 тыс. подпорных гидротехнических сооружений, в том числе около 35 тыс. больших и малых плотин. Многие крупные подпорные сооружения эксплуатируются длительное время (30—50 лет и более), а, согласно статистическим данным, именно после этого срока возрастает вероятность аварии и разрушения плотины. Увеличение числа и размеров гидротехнических соружений обусловливает возрастающее значение проблемы безопасности населения, проживающего ниже напорных фронтов и дамб, и предотвращения крупных экологических катастроф.

Практика показывает, что невозможно со стопроцентной вероятностью гарантировать безаварийную эксплуатацию напорных гидротехнических объектов. В соответствии с графиком Минтопэнерго РФ в 1993 г. было проведено централизованное обследование состояния гидротехнических сооружений 26 тепловых и 9 гидравлических электростанций. По результатам обследования было выявлено около 20 гидротехнических сооружений, состояние которых не обеспечивает надежность и безопасность их дальнейшей эксплуатации. Наибольшее количество нарушений отмечается на водосбросных и водопропускных сооружениях электростанций. Основным видом повреждений является разрушение бетонных поверхностей конструктивных элементов сооружений, расположенных в зоне переменного уровня воды, нарушение целостности водогасительных устройств и креплений в нижних бьефах, в отдельных случаях с подмывом и опусканием бетонных плит и крепления откосов.,далее приводятся краткие характеристики технического состояния некоторых из обследованных гидротехнических сооружений.

Волжская ГЭС (г. Волгоград). Мощность — 2541 МВт. В состав гидроузла входят водохранилище полным объемом 31 450 млн м3 и бетонная плотина общей

двух типов (в зависи-длиной 3249 м и максимальной высотой 47 м. Общее состояние гидротехнических сооружений удовлетворительное. Вместе с тем в блоках, эксплуатируемъiх более 30 лет, отмечается образование трещин (ширина раскрытия трещин до 0,3 мм), прогрессирует разрушение бетонных поверхностей водосливной плотины в зонах переменного уровня воды. Повреждена водосливная поверхность на участках строительных пiвов глубина разрушений достигает 20—40 см с обнажением рабочей арматуры. Поверхности быков имеют повреждения площадью до 1 м3 и глубиной 15—20 см.

Череповещсая ГРЭС. Мощность 630 МВт. Отмечается повреждение бетонных подводных частей водозаборного ковiiiа блочной насосной станции и небольшие разрушения поверхностного бетона бьгков водосливной плотины.

Орловекая ТЭЦ. Мощность 330 МВт. Водохранилище объемом 3,96 млн м3. На момент обследования в аварийном состоянии была водосливная плотина гидроузла. Бетонные поверхности имеют разрушения глубиной более 10 см и многочисленные трещины с раскрытием до 5 мм.

Подобные повреждения конструкций отмечены и на многих других плотинах.

13.4. Аварии на гидротехнических сооружениях

Нарушения целостности конструкций плотин неизбежно приводят к различного рода авариям. Гидродинамическая авария — это происшествие, связанное с выходом из строя (разрушением) гидроiчехнического сооружения или его частей с последующим неуправляемым перемещением больших масс воды.

На территории России эксплуатируется более 30 000 водохранилищ и несколько сотен накопителей промышленных стоков и отходов. Гидротехначеские сооружения на 200 водохранилищах и 56 накопителях отходов эксплуатируются без реконструкции более 50 лет, некоторые находятся в аварийном состоянии. По мнению специалистов, общее число гидродинамически опасных объектов составляет 815, численность населения, проживающего в зонах непосредственной угрозы жизни и здоровью при возможных авариях на этих объектах, превышает 7 млн человек. Однако прежде чем говорить об авариях, необходимо познакомиться с некоторыми специальными терминами.

Проран — узкий проток в теле (насыпи) плотины, косе, отмели в дельте реки или спрямленный участок реки, возникший в результате размыва излучины в половодье.

Прорыв плотины — начальная фаза гидродинамической аварии, то есть процесса образования прорана и неуправляемого потока воды, устремляющегося из верхнего бьефа через ироран в нижний бьеф.

Бьеф — участок реки между двумя соседними плотинами на реке или участок канала между двумя шлюзами. Верхний бьеф — часть реки выше подпорного сооружения (плотины, шлюза). Нижний бьеф — часть реки ниже подпорного сооружения.

Рысберма — укрепленный участок русла реки в иижнем бьефе водосбросного гидротехнического сооружения. Она защищает русло от размьгва, выравнивает скорость потока и т. д.

Приведем несколько примеров аварий на гидротехнических сооружениях.

Лужская ГЭС-2 (р. Выстрица Ленинградской области). 1 апреля 1956 г. произошла авария — разрушилась русловая земляная плотина, которая строилась в 1954—1955 гг. Прорывом вынесено 500 м3 грунта, а ширина размыва достигла 32 м. Водохранилище было полностью опорожнено, подмыта бетонная опора, которая оторвалась от устоя здания станции по осадочному шву.

Осенью 1962 г. на р. Оке размыло 80 погонных метров земляной дамбы Кузьминского гидроузла. Авария произошла потому, что своевременно не подняли затворы и не уложили конструкции плотины. Быстро и в большом количестве образовался внутриводный лед, который закупорал водосливную часть плотины, и вода поднялась выше нормального подпорного уровня на 2 м.

для обеспечения водой нижнего бьефа Иркутской [ЭС и лесосплава в период строительства гидроэлектростанции, после перекрьпия Ангары проводились холостые сбросы воды из водохранилища, Объем сбросов доходил до 1700—2200 м3/с. 1 июля 1958 г. для холостого сброса открыли пять отверстий водосбросов совмещенных агрегатов, а 2 июля в связи с неожиданной остановкой работы одного агрегата открыли еще одно отверстие. Сбрасываемый расход был неравномерно распределен по фронту водобойного колодца, что создало большой водоворот, направленный в сторону берега отводящего канала. В результате произошел подмыв откоса канала, который еще не был закреплен.

При строительстве Новосибирской ГЭС 25 октября 1956 г. начались работы по перекрытию р. Обь. 27 октября в створе перекрытия у наплавного моста со стороны левого берега создались очень тяжелые гидравлические условия. В результате ураганного ветра и скорости течения 4 м/с сильно возросли гидравлические сопротивления, а следовательно, и нагрузка на оттяжки понтонного моста, которые не выдержали и лопнули. Наплавной понтонный мост был сорван, унесен водой и затонул. Понтоны затонули на расстоянии 200 м ниже створа, а настил был унесен вниз по течению на 10 км.

для сравнения приведем характеристики крупнейших катастроф гидротехнических сооружений, произошедших за рубежом в 1918—1960 гг. (табл. 13.2).

В результате повышенных нагрузок на основание водохранилищ при их наполнении, а также воздействия воды как смазки на тектонические трещины в районах водохранилищ может повыситься сейсмическая активность. Подобные явления отмечались в период наполнения водохранялищ Боулдер (США) — объем 41 500 млн м3, Кариба (Замбия) — объем 175 000 млн м3 и др. Землетрясение в районе г. Кайнангар (Индия), последовавшее за наполнением водохракнлиша Койна (2780 млн м3), привело к гибели 200 человек. 13.5. Причины и виды гидродинамических аварий

На ГТС постоянно воздействуют водный поток, колебания температур, льды, на-

носы, статистические и гидродинамические нагрузки, происходят стирания поверхности, коррозия металлов, вьтщелачивание бетона, гниение деревянных конструкций.

Разрушение (прорыв) гвдротехнкческих сооружений происходит в результате:

о действия сил природы (землетрясений, ураганов, размыва плотин);

о износа и старения оборудования;

о конструкторских ошибок;

о некачественного выполнения строительных работ;

Щ нарушения правил эксплуатации;

о воздействия человека (нанесение ударов различными видами оружия).

Разрушения ГГС можно классифицировать следующим образом:

Разрушения конструкций, находящихся в верхнем бьефе, подходящим пото

3. Размыв откосов русла реки и поймы в результате перепада воды, вызванного стеснением сечения поймы.

Размыв земляных плотин переливающимся потоком. Таблица 13.3. Причины аварий гидротехнических сооружений

Причина разрушения

Разрушение основания

Недостаточиость водосброса

Конструктивные недостатки

Неравномерная осадка

Высокое пороговое (капиллярное) давление (в намытой плотине)

Военные действия

‚,ползание откосов дефекты материалов Пел равильная эксплуатация Землетрясение

Количество аварий на плотинах различных типов представлено в табл. 13.4.

Земляные и каменно-земланьге плотины разруiчаются, как правило, не полнотью. Чаще всего возникает проран шириной 0,20—0,35 м в зависимости от длины

4.

5.

б.

Разрушение конструкций и местный размыв в русле реки потоком, сбрасы ваемьтм через водосброс.

Повреждение деревянных сооружений фнльтрующимся потоком.

Разруяiеiяе земляных сооружений и склонов берегов в результате изменения геологических условий.

Причиной 35% из 300 аварий плотин (сопровождающихся их прорывом), произошедших в различных странах за 175 лет, было превышение расчетного максимального сбросного расхода, то есть перелив воды через гребень плотины. Причины аварий, сопровождающихся прорывом гидродинамических сооружений напорного фронта и образованием волны прорыва, могут быть различными, но чаще всего они происходят из-за разрушения основания сооружения и недостаточности водосбросов (табл. 13.3).

%

таблица 1 ЗА. Частота аварий для различных типов плотин

Ю:

Земляная плотина

Бетонная гравитационная

Плотины других типов

Защитные дамбы из местных материалов

Арочная железобетонная

арплотины. Ширина прорана зависит также от типа реки. Относительный размер

прорана В (Отношение ширины прорана к ширине плотины) для различных

ТИПОВ ПЛОТИН (кроме арочных) в зависимости от типа реки обычно принимает-

ся следующим: для равнинных рек В.ф 0,2 м, для предгорных рек В = 0,25 М

и для горных рек В = 0,5 М. для арочных плотин ориентировочно принимают

1,0.

13.6. Последствия гидродинамических

аварий и меры защиты населения

Последствиями гидродинамических аварий являются:

Щ повреждение и разрушение ГТС и кратковременное или долговременное пре-

кращение выполнения ими своих функций;

i поражение людей и разрушение сооружений волной прорыва;

ц затопление обширных территорий.

Основными поражающими факторами катастрофического затопления являются:

ц разрушительная волна прорыва;

i водный поток;

ц спокоиные воды, затопляющие территорию суши и хозяиственные объекты.

Воздеиствие волны прорыва во многом аналогично воздеиствию воздушнои удар

ной волны, образующейся при взрыве, но отличается от него тем, что действу-

ющим фактором в этом случае является вода.

Волна прорыва в своем движении вдоль русла реки непрерывно изменяет высо-

ту, скорость движения, ширину и другие параметры. Она имеет фазы подъема

уровня воды и последующего спада уровня. Фаза интенсивного подьема уровня

воды является фронтом волны прорыва. Вслед за фронтом волны прорыва высо

та ее начинает интенсивно возрастать, достигая через некоторый промежуток

времени максимума, называемого гребнем волны прорыва. В результате подъема

воды происходит затопление поймы и прибрежных участков местности.

Площадь и глубина затопления зависят от параметров волны прорыва и топогра-

ф ических условий местности. После прекращения подьема наступает более или

менее длительный период движения потока, близкий к установившемус