Сразу после выпадения радиоактивных веществ начинается вертикальная и горизонтальная их миграция под действием природных факторов. В этом процессе на первом этапе важными является метеорологические факторы - атмосферные осадки и ветер. Атмосферные осадки, промывая кроны деревьев, перемещают радионуклиды из верхних частей кроны в нижние, а затем и под полог леса. Ветер, выдувая тонкодисперсную фракцию радиоактивных веществ, переносит ее с крон одних деревьев на другие, частично - под полог леса и на прилегающую к лесу территорию.
При перемещении радиоактивных веществ под полог леса важную роль также играют процессы биологической миграции - опадение листьев, хвои, коры, плодов и других загрязненных элементов дерева. В специальных экспериментах с опрыскиванием древесных растений радиоактивными растворами стронция было установлено, что скорость вертикальной миграции связана с интенсивностью ростовых процессов, Весной, в период активного роста, этот процесс ускоряется; в фазе физиологического покоя (осенью и зимой) он резко замедляется. Это свидетельствует о том, что радионуклиды мигрируют под полог леса в составе листовых восковых чешуек и покровной чешуи и чехликов почек и коры. Поэтому, чем активнее ростовые процессы, тем выше темпы дезактивации крон. (109).
В лиственных лесах важную роль играет листопад, который переносит свыше 50% активности, задержанной кронами, на поверхность лесной подстилки с листовым спадом. Также на почву поступает загрязнитель при отмирании надземной части травы, кустарничков, мхов и лишайников. Медленнее проходит миграция радионуклидов в хвойных лесах, поскольку продолжительность жизни хвои три-четыре, иногда до семи лет.
Поступившие радионуклиды включаются в физико-химические, биохимические и биологические процессы, которые определяют миграцию, изменение физико-химических форм и агрегатных состояний радионуклидов, накопление их в элементах экосистемы.
В результате физической и биологической миграции в лиственных лесах через год после разовых выпадений смеси продуктов деления доля их в кроне от общего количества в лесу снижается в несколько раз, очевидно при этом увеличивается загрязнение лесной подстилки и грунта.
В хвойных насаждениях самоочищения крон проходит в 3-4 раза медленнее и составляет три-четыре года, а иногда и больше. По истечении этого более опасного периода, радиоактивные вещества, которые выпали на лес, перемещаются на лесную подстилку и почву, где прочно фиксируются.
Лесная подстилка, после выпадения радиоактивных веществ, становится мощным аккумулятором радионуклидов в лесном биогеоценозе. После глобальных радиоактивных выпадений концентрация важных продуктов деления в подстилках леса больше в 10-1000 раз, чем в других фракциях лесной растительности. В лесной подстилке может сосредоточиваться до 50-80% радионуклидов, которые выпадают из атмосферы, от общего количества радиоактивных веществ.
Процессы разложения опада, отмерших частей древесной растительности и растительности малых форм, воздействие осадков, талых вод, с участием педобионтов и других процессов, переносят загрязнитель в почвенные горизонты. Радионуклиды становятся доступными для корневых систем растений, начинается процесс корневого поступления радионуклидов в надземную часть растительности лесного участка. Некоторая доля радиоактивного загрязнителя из корнеобитаемого почвенного слоя переносится в более глубокие горизонты, здесь она недоступна корням растений и захоранивается навечно. Хотя корневой путь поступления радионуклидов в растительность менее значим, чем аэрозольный, в общем случае его нельзя не рассматривать. Идет также процесс самоочищения почвы, вследствие чего часть загрязнителя перестает быть доступной растениям.
Зимой нижние ярусы лесной экосистемы (кустарничково-травяной, подлесок, открытые участки почвы, участки почвы, покрытые спадом) находятся под снегом, поэтому хронически поступающий в лесную экосистему загрязнитель распределяется по поверхностям крон и стволов взрослых деревьев, подроста и снежного покрова. В зимнее время загрязнитель переносится из крон взрослых деревьев и подроста на снежный покров в результате их встряхивания ветром. На снегу загрязнитель остается до весны. Радиоактивный загрязнитель из снежного покрова переходит на участки почвы (прогалины, покрытые спадом в тени и полутени, на участки, покрытые кустарничково-травяной растительностью, мхами и лишайниками, прогалины) и распределяется между ними равномерно (109).
Для оценки относительной радиочувствительности различных компонентов в лесной экосистеме многими исследовательскими группами в разных частях мира проводились эксперименты с моделированием различных условий облучения. Например, источник гамма-излучения, помещенный в дубово-сосновом лесу в Брукхейвене, «работал» по 20 часов в сутки, а в течение остальных 4 ч производились наблюдения и брались пробы (на это время источник опускали в заэкранированый шурф). Градиент хронического облучения изменялся от 10 Гр в 10 м от источника до не улавливаемого приборами превышения над фоном — в 140 м.
Самыми устойчивыми оказались осоки, несколько менее устойчивыми — некоторые верески и злаки. Сосны значительно более чувствительны, чем дубы (у клеток сосен ядра более крупные, и они не дают новых побегов, если погибли терминальные почки). Замедление роста растений и уменьшение видового разнообразия животных отмечались даже при таких низких уровнях, как 2—5 рад в сутки. Хотя дубовый лес и продолжал существовать при достаточно высоком уровне облучения (10—40 рад в сутки), деревья были угнетены, а на некоторых участках стали восприимчивы к насекомым. В общем вдоль градиента облучения можно выделить 5 зон: 1) центральная зона (до 15 м), в которой ни одно из высших растений не выживает; 2) зона осоки (15-25 м); 3) зона черники и паслена (25 -35 м); 4) угнетенный дубовый лес (35-50 м) и 5) интактный дубово-сосновый лес (50- 115 м), в котором заметно некоторое угнетение роста, но нет погибших растений (134).
Таким образом, наибольшей радиочувствительностью в лесном биогеоценозе характеризуется ярус древесной растительности. Хвойные леса приблизительно в 5—10 раз чувствительные чем лиственные породы. Характерной ответной реакцией у лиственных древесных пород на облучение является сдвиг фенофаз—более позднее распускание листьев весной и более ранний листопад осенью (48,6). При выпадениях радионуклидов в весенне-летний период различия в устойчивости хвойных и лиственных лесов определяются в основном видовыми различиями, а в условиях осенних выпадений различия в радиоустойчивости между хвойными и лиственными породами оказались примерно 20-кратными. Это связано с уменьшением задерживающей способности крон лиственных деревьев, а, следовательно, и дозы облучения при радиоактивных выпадениях после листопада.
Наиболее чувствительны к ионизирующему излучению апикальные точки роста, более устойчивыми оказались камбиальные слои древесины, отмирание которых зафиксировано при дозе радиации в пределах 100–200 Гр [46, 57]. Повреждение лиственных деревьев и кустарников выражалось в усыхании вершин. Ионизирующее излучение признается одним из значимых факторов роста деревьев. Еще во второй половине ХХ в. в лабораторных условиях зафиксировано влияние радиации на структуру годичных колец древесины [70].
Другие компоненты лесных экосистем (кустарники, травяной ярус, многие представители животного населения, обитающего в надземной части леса, подстилке и почве, особенно беспозвоночные животные) в целом значительно более радиорезистентны. Однако, при этом многие из радиорезистентных организмов могут накапливать значительные дозы радионуклидов, что может представлять определенную опасность. Например, коэффициенты накопления у грибов значительно больше, чем у высших растений, что связано с их биологическими особенностями. Основным минеральным элементом в составе золы грибов является калий — аналог цезия-137. Следовательно, грибы хорошо поглощают цезий-137 и по накопительной способности значительно превосходят другие компоненты леса. Содержание цезия-137 в грибах в 20 раз и более выше, чем в почве, и в тысячи раз превышает содержание цезия-137 в древесине. По отношению к стронцию-90 грибы обладают низкой накопительной способностью: интенсивность перехода стронция-90 из почвы в грибы в 90-400 раз ниже, чем цезия-137 (рис. 20).
Рисунок 20. Грибы активно накапливают искусственные радионуклиды (136).
При хроническом облучении вегетирующих растений они выдерживают дозовые нагрузки, на порядок более высокие, чем при остром облучении.
7.3 Чернобыльский лес
В районе Чернобыльской АЭС преобладающей лесообразующей породой является сосна обыкновенная, образующая в основном чистые древостои. В результате аварии на ЧАЭС наибольшая радиационная нагрузка на сосну пришлась на период активных весенних ростовых процессов, когда ее радиоустойчивость снижается в 1,7 – 3 раза по сравнению с периодом покоя. Все это обусловило довольно высокую степень радиационного поражения лесов в районе аварии на ЧАЭС Результаты радиационного поражения соснового леса оказались в прямой зависимости от полученных дозовых нагрузок. По характеру радиационного поражения учеными было выделено четыре зоны:
Первая зона. Зона полной гибели хвойных пород с частичным повреждением лиственных пород, так называемый Рыжий лес.
Уровни поглощенных доз (по расчетам ученых) по внешнему гамма-облучению в 1986-1987 годах составили – 80-100 Гр при максимальной мощности экспозиционной дозы – 500 мР/час и больше. Площадь этой зоны составляет около 4,5 тысяч гектар. В этой зоне надземные органы сосны погибли полностью, а хвоя приобрела кирпичный цвет (рис. 21). Весь лес практически «сгорел», аккумулировав на себе значительные объемы радиоактивных выбросов. Сильная загрязненность мертвой древесины радиоактивными веществами обусловила необходимость ее захоронения. (рис. 22) Погибший лес представлял собой значительную опасность, например при пожаре, как источник вторичного радиоактивного загрязнения. Кроме того, погибший лес значительно ухудшал радиационную ситуацию возле дороги, которая была одной из основных транспортных магистралей Чернобыльской АЭС (1,28).
Рисунок 21. Рыжий лес. Первая зона (137).
Для дезактивации территории этого участка предлагались разные методы. В 1987 году вокруг погибшего леса был насыпан вал высотой 2,5 м и общей длиной около 3,5 км. Захоронения погибших деревьев, лесного подлеска и верхнего слоя почвы выполнялось путем валки, сгребания и закладку в траншеи с последующей засыпкой слоем почвы толщиной около 1 метра. Всего было захоронено более 4 тысяч кубических метров радиоактивных материалов (рис.22). В результате проведенных мероприятий мощность экспозиционной дозы гамма-излучения уменьшилось в 4-50 раз (107).
Захоронение радиоактивной древесины происходило в траншеи глубиной полтора – два метра, т.е. на уровне залегания грунтовых вод. Это привело к загрязнению грунтовых вод радиоактивными веществами аварийного выброса. По данным ученых, уже через 2-3 года после захоронения, было отмечено наличие радионуклидов в грунтовых водах возле траншей, в которых был похоронен погибший лес. Таким образом, захоронение погибшего леса не решило, а лишь углубило экологические проблемы.
Рис. 22 Аэрофотоснимок с видом на траншеи с погребенным радиоактивная древесина — «Рыжий лес» (стрелками указаны траншеи) (137).
Вторая зона. Зона сублетальных поражений леса, в котором погибло от 25 до 40% деревьев, и большая часть лесного подлеска (1-2,5 м высоты). Поглощенная доза – 10-80 Гр, мощность экспозиционной дозы – 200-250 мР/час. Площадь зоны составляла 12,5 тыс. гектар, в том числе сосновых лесов – 3,8 тыс. гектар. В 90-95% у выживших деревьев сильно повреждены и отмерли молодые побеги и почки, а также наблюдались нарушения в ритме ростовых процессов, ориентации побегов, морфологических процессов. При дозах 300-400 рад вдвое снизился прирост по диаметру ствола у березы, ели и сосны. Вместе с этим у пораженных деревьев наблюдали активные восстановительные процессы. Например, у ели формировалась гигантская хвоя до 4-4,5 см, в сосны – 12-14 см. В 1989-1992 гг. общая масса хвои на молодых побегах увеличилась по сравнению с 1986 г. в 3,0 – 3,5 раза (106). Увеличилось прорастание семян. Данный факт указывает на увеличение репродуктивных функций у вида (рис23).
Рисунок 23. Нарушение роста побегов сосны (108).
Третья зона. Зона среднего повреждения соснового леса. Для данной зоны характерным было поражение, в основном, молодых побегов, а хвоя желтела только на отдельных участках веток. Отмечались также небольшие морфологические отклонения в росте сосны, но растения сохранили свою жизнеспособность. При частичном повреждении крон, облученных в сублетальных дозах, облучение во всех рассмотренных ситуациях вызвало физиологические и морфологические нарушения у вновь формирующихся побегов. Увеличилась частота двойного прироста, который проявляется в том, что почки, заложенные на побегах текущего года, в том же году трогались в рост, и побеги давали прирост дважды за год. При этом новые побеги закладывались не только на конце вторичного побега, но и в пазухах хвоинок.
В последующий вегетационный период из таких почек формировались так называемые "ведьмины метлы" — пучки побегов до 40 штук в каждом. Кроме того, у части вновь заложенных почек изменялись форма и их ориентация относительно оси побега. К началу следующего вегетационного периода некоторые из этих почек погибали, а из уцелевших формировались пучки хвои или короткие толстые побеги со скрученной хвоей увеличенных размеров. Во многих пучках было по три хвоинки вместо обычных двух. Новые почки на таких побегах не закладывались. Поглощенная доза – 4-5 Гр, мощность экспозиционной дозы – 50-200 мР/час. Площадь третьей зоны составляла 43,3 тысяч гектар, в том числе сосновых лесов – 11,9 тысяч гектар (106, 1, 98).
Четвертая
зона. Зона
слабого поражения, где отмечались
отдельные аномалии в ростовых процессах.
Видимые повреждения у сосен найдены не
были. Все деревья сохранили нормальный
рост и цвет хвои. Поглощенная доза
составила – 0,5-1,2 Гр, мощность экспозиционной
дозы – 20 мР/час.
(рис.24) .
Рис 24. Естественное восстановление (137).
8 Ядерный топливный цикл
8.1 Общая характеристика ЯТЦ
Все стадии функционирования ядерного топливно-энергетического комплекса, такие, как производство топлива для ядерных реакторов, подготовка его к использованию, сжигание топлива в реакторе, утилизация отработанного топлива, промежуточное хранение и т.п. вместе взятые составляют так ядерный топливный цикл (ЯТЦ).
В зависимости от базового делящегося нуклида (или нуклидов), энергетика использует разные топливные циклы. Различают урановый, торий-урановый, уран-плутониевый и торий-плутониевый циклы. В настоящее время наибольшее распространение получил урановый цикл, который точнее называть уран-плутоний-нептуниевым ядерно-энергетическим топливным циклом, поскольку именно эти элементы нарабатываются в реакторах на урановом топливе.
Любой ядерный топливный цикл – дорогостоящее и опасное производство. Выбор оптимального варианта ЯТЦ – серьезная проблема для страны и мира в целом. Поэтому сравнительному анализу перспектив открытого и закрытого вариантов ЯТЦ уделяют большое внимание. Если ЯТЦ разделить на два этапа: 1) дореакторная часть и 2) послереакторная часть, то по первому этапу особых разногласий нет, а по второму – имеется большой разброс мнений.