Последствия ядерных взрывов и аварий на АЭС
Белгородский Университет потребительской кооперации
РЕФЕРАТ
по предмету естествознание на тему:
«Последствия ядерных взрывов и аварий на АЭС»
БЕЛГОРОД 2000
1.Из истории создания ядерного оружия
В 1894 г. Робер Сесил, бывший премьер-министр Великобритании, в своем обращении к Британской ассоциации содействия научному прогрессу, перечисляя нерешенные проблемы науки остановился на задаче: что же действительно представляет собой атом - существует он на самом деле или является лишь теорией, пригодной лишь для объяснения некоторых физических явлений; какова его структура.
В США любят говорить, что атом - уроженец Америки, но это не так.
На рубеже XIX и XX веков занимались главным образом европейские ученые. Английский ученый Томсон предложил модель атома, который представляет собой положительно заряженное вещество с вкрапленными электронами. Француз Беккераль открыл радиоактивность в 1896 г. Он показал, что все вещества, содержащие уран, радиоактивны, причем, радиоактивность пропорциональна содержанию урана.
Французы Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивный элемент радий в 1898. Они сообщили, что им удалось из урановых отходов выделить некий элемент, обладающий радиоактивностью и близкий по химическим свойствам к барию. Радиоактивность радия примерно в 1 млн. раз больше радиоактивности урана.
Англичанин Резерфорд в 1902 году разработал теорию радиоактивного распада, в 1911 году он же открыл атомное ядро, и в 1919 году наблюдал искусственное превращение ядер.
А. Эйнштейн, живший до 1933 года в Германии, в 1905 году разработал принцип эквивалентности массы и энергии. Он связал эти понятия и показал, что определенному количеству массы соответствует определенное количество энергии.
Датчанин Н. Бор в 1913 г. разработал теорию строения атома, которая легла в основу физической модели устойчивого атома.
Дж. Кокфорт и Э. Уолтон (Англия) в 1932 г. экспериментально подтвердили теорию Эйнштейна.
Дж. Чедвик в том же году открыл новую элементарную частицу - нейтрон.
Д.Д. Иваненко в 1932 г. выдвинул гипотезу о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов.
Э. Ферми использовал нейтроны для бомбардировки атомного ядра (1934 г.).
В 1937 году Ирен Жолио-Кюри открыла процесс деления урана. У Ирен Кюри и ее ученика-югослава П. Савича результат получился невероятный: продуктом распада урана был лантан - 57-ой элемент, расположенный в середине таблицы Менделеева.
Мейтнер, которая в течении 30 лет работала у Гана, вместе с О. Фришем, работавшим у Бора, обнаружили, что при делении ядра урана части, полученные после деления, в сумме на 1/5 легче ядра урана. Это им позволило по формуле Эйнштейна посчитать энергию, содержащуюся в 1 ядре урана. Она оказалась равной 200 млн. электрон-вольт. В каждом грамме содержится 2.5X1021 атомов.
В начале 40-х гг. 20 в. группой ученых в США были разработаны физические принципы осуществления ядерного взрыва. Первый взрыв произведен на испытательном полигоне в Аламогордо 16 июля 1945 г. В августе 1945 2 атомные бомбы мощностью около 20 кт каждая были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки. Взрывы бомб вызвали огромные жертвы - Хиросима свыше 140 тысяч человек, Нагасаки - около 75 тысяч человек, а также причинили колоссальные разрушения. Применение ядерного оружия тогда не вызывалось военной необходимостью. Правящие круги США преследовали политические цели - продемонстрировать свою силу для устрашения СССР.
Вскоре ядерное оружие было создано в СССР группой ученых во главе с академиком Курчатовым. В 1947 Советское правительство заявило, что для СССР больше нет секрета атомной бомбы. Потеряв монополию на ядерное оружие, США усилило начатые еще в 1942 работы по созданию термоядерного оружия. 1 ноября 1952 в США было взорвано термоядерное устройство мощностью 3 Мт. В СССР термоядерная бомба была впервые испытана 12 авг. 1953.
На сегодняшний день секретом ядерного оружия обладают кроме России и США также Франция, Германия, Великобритания, Китай, Пакистан, Индия, Италия.
2.Характеристика ядерных взрывов и их поражающих факторов.
Ядерный взрыв - процесс деления тяжелых ядер. Для того, чтобы произошла реакция, необходимо как минимум 10 кг высокообогащенного плутония. В естественных условиях это вещество не встречается. Данное вещество получается в результате реакций, производимых в ядерных реакторах. Естественный уран содержит приблизительно 0.7 процентов изотопа U-235, остальное - уран 238. Для осуществления реакции необходимо, чтобы в веществе содержалось не менее 90 процентов урана 235.
2.1Виды ядерных взрывов.
В зависимости от задач, решаемых ядерным оружием, от вида и расположения объектов , по которым планируются ядерные удары , а также от характера предстоящих боевых действий ядерные взрывы могут быть осуществлены в воздухе , у поверхности земли (воды) и под землей (водой). В соответствии с этим различают следующие виды ядерных взрывов:
воздушный (высокий и низкий)
наземный (надводный)
подземный (подводный)
2.2Поражающие факторы ядерного взрыва.
Ядерный взрыв способен мгновенно уничтожить или вывести из строя незащищенных людей , открыто стоящую технику , сооружения и различные материальные средства. Основными поражающими факторами ядерного взрыва являются:
ударная волна
световое излучение
проникающая радиация
радиоактивное заражение местности
электромагнитный импульс
а) Ударная волна в большинстве случаев является основным поражающим фактором ядерного взрыва . По своей природе она подобна ударной волне обычного взрыва , но действует более продолжительное время и обладает гораздо большей разрушительной силой . Ударная волна ядерного взрыва может на значительном расстоянии от центра взрыва наносить поражения людям, разрушать сооружения и повреждать боевую технику. Ударная волна представляет собой область сильного сжатия воздуха, распространяющуюся с большой скоростью во все стороны от центра взрыва. Скорость распространения ее зависит от давления воздуха во фронте ударной волны ; вблизи центра взрыва она в несколько раз превышает скорость звука, но с увеличением расстояния от места взрыва резко падает. За первые 2 сек ударная волна проходит около 1000 м, за 5 сек-2000 м, за 8 сек - около 3000 м. Это служит обоснованием норматива N5 ЗОМП "Действия при вспышке ядерного взрыва": отлично - 2 сек, хорошо - 3 сек, удовлетврительно-4 сек. Поражающее действие ударной волны на людей и разрушающее действие на боевую технику, инженерные сооружения и материальные средства прежде всего определяются избыточным давлением и скоростью движения воздуха в ее фронте . Незащищенные люди могут, кроме того поражаться летящими с огромной скоростью осколками стекла и обломками разрушаемых зданий, падающими деревьями, а также разбрасываемыми частями боевой техники, комьями земли , камнями и другими предметами , приводимыми в движение скоростным напором ударной волны . Наибольшие косвенные поражения будут наблюдаться в населенных пунктах и в лесу; в этих случаях потери войск могут оказаться большими , чем от непосредственного действия ударной волны. Ударная волна способна наносить поражения и в закрытых помещениях, проникая туда через щели и отверстия . Поражения, наносимые ударной волной , подразделяются на легкие , средние, тяжелые и крайне тяжелые. Легкие поражения характеризуются временным повреждением органов слуха, общей легкой контузией, ушибами и вывихами конечностей. Тяжелые поражения характеризуются сильной контузией всего организма; при этом могут наблюдаться повреждения головного мозга и органов брюшной полости, сильное кровотечение из носа и ушей, тяжелые переломы и вывихи конечностей. Степень поражения ударной волной зависит прежде всего от мощности и вида ядерного взрыва. При воздушном взрыве мощностью 20 кТ легкие травмы у людей возможны на расстояниях до 2,5 км, средние - до 2 км , тяжелые - до 1,5 км от эпицентра взрыва. С ростом калибра ядерного боеприпаса радиусы поражения ударной волной растут пропорционально корню кубическому из мощности взрыва. При подзем- ном взрыве возникает ударная волна в грунте, а при подводном - в воде. Кроме того, при этих видах взрывов часть энергии расходуется на создание ударной волны и в воздухе . Ударная волна , распространяясь в грунте, вызывает повреждения подземных сооружений , канализации, водопровода; при распространении ее в воде наблюдается повреждение подводной части кораблей, находящихся даже на значительном расстоянии от места взрыва.
б) Световое излучение ядерного взрыва представляет собой поток лучистой энергии , включающей ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение . Источником светового излучения является светящаяся область, состоящая из раскаленных продуктов взрыва и раскаленного воздуха. Яркость светового излучения в первую секунду в несколько раз превосходит яркость Солнца. Поглощенная энергия светового излучения переходит в тепловую , что приводит к разогреву поверхностного слоя материала. Нагрев может быть настолько сильным , что возможно обугливание или воспламенение горючего материала и растрескивание или оплавление негорючего, что может приводить к огромным пожарам. При этом действие светового излучения ядерного взрыва эквивалентно массированному применению зажигательного оружия, которое рассматривается в четвертом учебном вопросе. Кожный покров человека также поглощает энергию светового излучения, за счет чего может нагреваться до высокой температуры и получать ожоги. В первую очередь ожоги возникают на открытых участках тела, обращенных в сторону взрыва. Если смотреть в сторону взрыва незащищенными глазами, то возможно поражение глаз, приводящее к полной потере зрения. Ожоги , вызываемые световым излучением , не отличаются от обычных, вызываемых огнем или кипятком. они тем сильнее, чем меньше расстояние до взрыва и чем больше мощность боеприпаса. При воздушном взрыве поражающее действие светового излучения больше, чем при наземном той же мощности. В зависимости от воспринятого светового импульса ожоги делятся на три степени. Ожоги первой степени проявляются в поверхностном поражении кожи: покраснении , припухлости , болезненности . При ожогах второй степени на коже появляются пузыри. При ожогах третьей степени наблюдается омертвление кожи и образование язв. При воздушном взрыве боеприпаса мощностью 20 кТ и прозрачности атмосферы порядка 25 км ожоги первой степени будут наблюдаться в радиусе 4,2 км от центра взрыва ; при взрыве заряда мощностью 1 МгТ это расстояние увеличится до 22,4 км. ожоги второй степени проявляются на расстояниях 2,9 и 14,4 км и ожоги третьей степени - на расстояниях 2,4 и 12,8 км соответственно для боеприпасов мощностью 20 кТ и 1МгТ.
в) Проникающая радиация представляет собой невидимый поток гамма квантов и нейтронов , испускаемых из зоны ядерного взрыва. Гамма кванты и нейтроны распространяются во все стороны от центра взрыва на сотни метров. С увеличением расстояния от взрыва количество гамма квантов и нейтронов , проходящее через единицу поверхности , уменьшается . При подземном и подводном ядерных взрывах действие проникающей радиации распространяется на расстояния, значительно меньшие, чем при наземных и воздушных взрывах, что объясняется поглощением потока нейтронов и гамма- квантов водой. Зоны поражения проникающей радиацией при взрывах ядерных боеприпасов средней и большой мощности несколько меньше зон поражения ударной волной и световым излучением. Для боеприпасов с небольшим тротиловым эквивалентом (1000 тонн и менее) наоборот , зоны поражающего действия проникающей радиацией превосходят зоны поражения ударной волной и световым излучением. Поражающее действие проникающей радиации определяется способностью гамма квантов и нейтронов ионизировать атомы среды, в которой они распространяются . Проходя через живую ткань, гамма кванты и нейтроны ионизируют атомы и молекулы, входящие в состав клеток , которые приводят к нарушению жизненных функций отдельных органов и систем. Под влиянием ионизации в организме возникают биологические процессы отмирания и разложения клеток. В результате этого у пораженных людей развивается специфическое заболевание, называемое лучевой болезнью. Для оценки ионизации атомов среды, а следовательно, и поражающего действия проникающей радиации на живой организм введено понятие дозы облучения (или дозы радиации) , единицей измерения которой является рентген (р). Дозе радиации 1 р соответствует образование в одном кубическом сантиметре воздуха приблизительно 2 миллиардов пар ионов. В зависимости от дозы излучения различают три степени лучевой болезни. Первая (легкая) возникает при получении человеком дозы от 100 до 200 р . Она характеризуется общей слабостью, легкой тошнотой, кратковременным головокружением, повышением потливости; личный состав, получивший такую дозу, обычно не выходит из строя. Вторая (средняя) степень лучевой болезни развивается при получении дозы 200-300 р; в этом случае признаки поражения - головная боль, повышение температуры, желудочно-кишечное расстройство - проявляются более резко и быстрее, личный состав в большинстве случаев выходит из строя. Третья (тяжелая) степень лучевой болезни возникает при дозе свыше 300 р; она характеризуется тяжелыми головными болями , тошнотой , сильной общей слабостью, головокружением и другими недомоганиями; тяжелая форма нередко приводит к смертельному исходу.
г) Радиоактивное заражение людей, боевой техники, местности и различных объектов при ядерном взрыве обусловливается осколками деления вещества заряда и не прореагировавшей частью заряда, выпадающими из облака взрыва, а также наведенной радиоактивностью. С течением времени активность осколков деления быстро уменьшается, особенно в первые часы после взрыва. Так, например, общая активность осколков деления при взрыве ядерного боеприпаса мощностью 20 кТ через один день будет в несколько тысяч раз меньше, чем через одну минуту после взрыва. При взрыве ядерного боеприпаса часть вещества заряда не подвергается делению, а выпадает в обычном своем виде; распад ее сопровождается образованием альфа частиц . Наведенная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами, образующимися в грунте в результате облучения его нейтронами, испускаемыми в момент взрыва ядрами атомов химических элементов , входящих в состав грунта. Образовавшиеся изотопы, как правило, бета-активны , распад многих из них сопровождается гамма-излучением. Периоды полураспада большинства из образующихся радиоактивных изотопов, сравнительно невелики: от одной минуты до часа. В связи с этим наведенная активность может представлять опасность лишь в первые часы после взрыва и только в районе, близком к его эпицентру. Основная часть долгоживущих изотопов сосредоточена в радиоактивном облаке, которое образуется после взрыва . Высота поднятия облака для боеприпаса мощностью 10 кТ равна 6 км, для боеприпаса мощностью 10 МгТ она составляет 25 км. По мере продвижения облака из него выпадают сначала наиболее крупные частицы, а затем все более и более мелкие , образуя по пути движения зону радиоактивного заражения, так называемый след облака. Размеры следа зависят главным образом от мощности ядерного боеприпаса, а также от скорости ветра и могут достигать в длину несколько сотен и в ширину нескольких десятков километров. Поражения в результате внутреннего облучения появляются в результате попадания радиоактивных веществ внутрь организма через органы дыхания и желудочно-кишечный тракт. В этом случае радиоактивные излучения вступают в непосредственный контакт с внутренними органами и могут вызвать сильную лучевую болезнь; характер заболевания будет зависеть от количества радиоактивных веществ, попавших в организм. На вооружение, боевую технику и инженерные сооружения радиоактивные вещества не оказывают вредного воздействия.
д) Электромагнитный импульс воздействует прежде всего на радиоэлектронную и электронную аппаратуру (пробой изоляции, порча полупроводниковых приборов , перегорание предохранителей и т.д.). Электромагнитный импульс представляет собой возникающее на очень короткое время мощное электрическое поле.
3.Хиросима и Нагасаки.
Всю весну 1945 года на многие японские постоянно совершали налеты американские бомбардировщики Б-29. Эти самолеты были практически неуязвимы, они летали на недоступной для японских самолетов высоте. Например, в результате одного из таких рейдов погибло 125 тысяч жителей Токио, во время другого - 100 тысяч, 6 марта 1945 года Токио был окончательно превращен в руины. У американского руководства возникали опасения, что в результате последующих рейдов у них не останется цели для демонстрации их нового оружия. Поэтому, заранее отобранные 4 города - Хиросима, Кокура, Ниигата и Нагасаки - не подвергались бомбежкам. 5 августа в 5 часов 23 минуты 15 секунд была произведена первая в истории атомная бомбардировка. Попадание было почти идеальным: бомба взорвалась в 200 метрах от цели. В это время суток во всех концах города маленькие печки, отапливаемые углем, были зажжены, поскольку многие были заняты приготовлением завтрака. Все эти печки были опрокинуты взрывной волной, что привело к возникновению многочисленных пожаров в местах, сильно удаленных от эпицентра. Предполагалось, что население укроется в убежищах, но этого не произошло по нескольким причинам: во-первых не был дан сигнал тревоги, во-вторых над Хиросимой уже и ранее пролетали группы самолетов, которые не сбрасывали бомбы.
За первоначальной вспышкой взрыва последовали другие бедствия. Прежде всего это было воздействие тепловой волны. Оно длилось лишь секунды, но было настолько мощным, что расплавило даже черепицу и кристаллы кварца в гранитных плитах, превратила в угли телефонные столбы на расстоянии 4 км. от центра взрыва.
На смену тепловой волне пришла ударная. Порыв ветра пронесся со скоростью 800 км./час. За исключением пары стен все остальное. В круге диаметром 4 км. было превращено в порошок. Двойное воздействие тепловой и ударной волны за несколько секунд вызвало появление тысяч пожаров.
Вслед за волнами через несколько минут на город пошел странный дождь, крупные, как шарики, капли которого были окрашены в черный цвет. Это странное явление связано с тем, что огненный шар превратил в пар влагу, содержащуюся в атмосфере., который затем сконцентрировался в поднявшемся в небо облаке. Когда это облако, содержащее водяные пары и мелкие частицы пыли, поднимаясь вверх, достигло более холодных слоев атмосферы, произошла повторная конденсация влаги, которая потом выпала в виде дождя.
Люди, которые подверглись воздействию огненного шара от “Малыша” на расстоянии до 800 м. были сожжены настолько, что превратились в пыль. Выжившие люди выглядели еще ужасней мертвых: они полностью обгорели, под влиянием тепловой волны, а ударная волна сорвала с них обгоревшую кожу. Капли черного дождя были радиоактивны и поэтому они оставляли не проходящие ожоги.
Из имевшихся в Хиросиме 76000, 70000 были полностью повреждены: 6820 зданий разрушено и 55000 полностью сгорели. Было уничтожено большинство больниц, из всего медицинского персонала осталось дееспособны 10%. Оставшиеся в живых стали замечать у себя странные формы заболевания. Они заключались в том, что человека тошнило, наступала рвота, потеря аппетита. Позже начиналась лихорадка и приступы сонливости, слабости. К крови отмечалось низкое количество белых шариков. Все это были первыми признаками лучевой болезни.
После проведения успешной бомбардировки Хиросимы на 12 августа была назначена 2-ая бомбардировка. Но поскольку метеорологи обещали ухудшение погоды, было решено провести бомбардировку 9 августа. Целью был избран город Кокура. Около 830 утра американские самолеты достигли этого города, но провести бомбардировку им помешал смог от сталелитейного завода. Этот завод накануне подвергся налету и до сих пор горел. Самолеты развернулись в сторону Нагасаки. В 1102 бомбы “толстяк” была сброшена на город. Она взорвалась на высоте 567 метров.
Две атомные бомбы, сброшенные на Японию, за секунды уничтожили более 200 тыс человек. Многие люди подверглись облучению, что привело к возникновению у них лучевой болезни, катаракты, рака, бесплодия.
4.Дальнейшее развитие ядерного оружия
Утратив атомную монополию, администрация Трумана ухватилась за идею создания термоядерного оружия. На первых этапах работы над водородной бомбой появились серьезные трудности: для начала реакции синтеза необходима высокая температура. Была предложена новая модель атомной бомбы, в которой механический удар первой бомбы используется для сжатия сердцевины второй бомбы, которая в свою очередь воспламеняется от сжатия. Затем вместо механического сжатия для воспламенения топлива использовали радиацию.
1 ноября 1952 г. в США было проведено секретное испытание термоядерного устройства. Мощность “Майка” составила 5-8 млн. тонн тринитротолуола. К примеру, мощность всех взрывчатых веществ, использованных во 2-ой мировой войне равнялась 5 млн. тонн. Ядерное горючее “Майка” представляло собой жидкий водород, взрыв которого детанировался атомным зарядом.
8 августа 1953 года в СССР была испытана первая в мире термоядерная бомба. Мощность взрыва превзошла все ожидания. Ближайший наблюдательный пункт был расположен на расстоянии 25 километров от места взрыва. После эксперимента Курчатов, создатель первой советской атомной и термоядерной бомбы, заявил о том, что нельзя допустить применения этого оружия по назначению. Его работы впоследствии продолжил А.Д. Сахаров.
22 ноября 1955 было произведено очередное испытание термоядерной бомбы. Взрыв был столь мощен, что произошли несчастные случаи. На расстоянии нескольких десятков километров погиб солдат - завалило траншею. В близлежащем населенном пункте погибли люди, не успевшие укрыться в бомбоубежищах.
Весной 1955 года Хрущев объявил об одностороннем маратории на ядерные испытания (в 1961 году испытания возобновятся, поскольку американские исследователи стали обгонять советские разработки).
Весной 1963 г. в штате Невада был испытан первый вариант нейтронного заряда. Позже была создана нейтронная бомба. Ее изобретатель Самюэль Коэн. Это самое маленькое оружие в семействе атомных, оно убивает не столько взрывом, сколько радиацией. Большая часть энергии расходуется на выпускание высокоэнергетических нейтронов. При взрыве такой бомбы мощностью в 1 килотонну (что в 12 раз меньше мощности бомбы, сброшенной на Хиросиму) разрушения будут наблюдаться только в радиусе 200 метров, в то время как все живые организмы погибнут на расстоянии до 1.2 км от эпицентра.
4.1ЭМИ или “не смертельное” оружие
В начале 90-х годов в США стала зарождаться концепция, согласно которой вооруженные силы страны должны иметь не только ядерные и обычные вооружения, но и специальные средства, обеспечивающие эффективное участие в локальных конфликтах без нанесения противнику излишних потерь в живой силе и материальных ценностях.
Генераторы ЭМИ (супер ЭМИ), как показывают теоретические работы и проведенные за рубежом эксперименты, можно эффективно использовать для вывода из строя электронной и электротехнической аппаратуры, для стирания информации в банках данных и порчи ЭВМ.
Теоретические исследования и результаты физических экспериментов показывают, что ЭМИ ядерного взрыва может привести не только к выходу из строя полупроводниковых электронных устройств, но и к разрушению металлических проводников кабелей наземных сооружений. Кроме того возможно поражение аппаратуры ИСЗ, находящихся на низких орбитах.
То, что ядерный взрыв будет обязательно сопровождаться электромагнитным излучением, было ясно физикам-теоретикам еще до первого испытания ядерного устройства в 1945 году. Во время проводившихся в конце 50-х - начале 60-х годов ядерных взрывов в атмосфере и космическом пространстве наличие ЭМИ было зафиксировано экспериментально.
Создание полупроводниковых приборов, а затем и интегральных схем, особенно устройств цифровой техники на их основе, и широкое внедрение средств в радиоэлектронную военную аппаратуру заставили военных специалистов по иному оценить угрозу ЭМИ. С 1970 года вопросы защиты оружия и военной техники от ЭМИ стали рассматриваться министерством обороны США как имеющие высшую приоритетность.
Механизм генерации ЭМИ заключается в следующем. При ядерном взрыве возникают гамма и рентгеновское излучения и образуется поток нейтронов. Гамма-излучение, взаимодействуя с молекулами атмосферных газов, выбивает из них так называемые комптоновские электроны. Если взрыв осуществляется на высоте 20-40 км., то эти электроны захватываются магнитным полем Земли и, вращаясь относительно силовых линий этого поля создают токи, генерирующие ЭМИ. При этом поле ЭМИ когерентно суммируется по направлению к земной поверхности, т.е. магнитное поле Земли выполняет роль, подобную фазированной антенной решетки. В результате этого резко увеличивается напряженность поля, а следовательно, и амплитуда ЭМИ в районах южнее и севернее эпицентра взрыва. Продолжительность данного процесса с момента взрыва от 1 - 3 до 100 нс.
На следующей стадии, длящейся примерно от 1 мкс до 1 с, ЭМИ создается комптоновскими электронами, выбитыми из молекул многократно отраженным гамма-излучением и за счет неупругого соударения этих электронов с потоком испускаемых при взрыве нейтронов. Интенсивность ЭМИ при этом оказывается примерно на три порядка ниже, чем на первой стадии.
На конечной стадии, занимающей период времени после взрыва от 1 с до нескольких минут, ЭМИ генерируется магнитогидродинамическим эффектом, порождаемым возмущениями магнитного поля Земли токопроводящим огненным шаром взрыва. Интенсивность ЭМИ на этой стадии весьма мала и составляет несколько десятков вольт на километр.
5.Аварии на АЭС
Авария на Чернобыльской АЭС по своим долговременным последствиям явилась крупнейшей катастрофой современности.
Были и другие аварии связанные с атомной энергетикой.
В США самая большая авария, которая называется сегодня предупреждением о Чернобыле, случилась в 1979 году в штате Пенсильвания на АЭС в «Тримайл Айленд». До нее и после - еще 11 более мелких аварий на ядерных реакторах.
В Советском Союзе в какой-то мере предтечей Чернобыля можно считать три аварии, начиная с 1949 года, в производственном объединении «Маяк» на реке Теча.
После нее еще более десяти аварий на АЭС страны.
Масштабы глобальной Чернобыльской катастрофы, поражают воображение.
5.1 Хронология развития и причины аварии на 4-м блоке ЧАЭС.
Испытания на 4-м энергоблоке были задуманы с целью проверки возможности электроснабжения механизмов собственных нужд за счет энергии механического выбега ротора турбогенератора (когда частота и напряжение тока генератора непрерывно уменьшаются) при полной потере связи с энергосистемой и не включении автономных источников электроснабжения. В качестве эквивалентной нагрузки были выбраны по два ГЦН на каждой половине контура МПЦ.
В реальных ситуациях потеря связи с энергосистемой обязательно приводит к останову блока и заглушению реактора. Энергия выбегающего турбогенератора может быть использована для продления работы механизмов собственных нужд, участвующих в аварийном расхолаживании остановленного реактора. Главные циркуляционные насосы от выбегающего турбогенератора не запитываются, поскольку после обесточения они могу поддерживать циркуляцию в контуре МПЦ в течение 4-5 мин. за счет механической инерции своих вращающихся частей, для чего они снабжаются специальным маховиком. По истечении этого времени аварийный отвод остаточных выделений заглушенного реактора может производиться при естественной циркуляции воды в КМПЦ.
Днем 25 апреля ситуация развивалась следующим образом.
1ч.00 мин. - 1ч.30 мин. Перед планируемым остановом блока на плановый ремонт тепловая мощность реактора снижена до 1600 МВт. Запас реактивности до разгрузки составлял около 30 стержней ручного регулирования мощности (РР). Максимальная потеря запаса реактивности в переходном процессе после разгрузки составляет 15-16 стержней РР. В соответствии с требованиями "Технологического регламента", действовавшего в то время, при снижении оперативного запаса реактивности до 26 стержней РР можно было работать с разрешения главного инженера станции, а при снижении до 15 ст.РР необходимо заглушить реактор кнопкой АЗ-5.
Отключен от сети турбогенератор номер 7. Питание собственных нужд переведено на трансформатор собственных нужд турбогенератора №8.
14ч.00 мин. В соответствии с программой испытаний закрытием ручных задвижек отключается баллонная подсистема аварийного охлаждения реактора (САОР), чтобы при прохождении сигналов, требующих ее срабатывания, холодная вода не попала в реактор. Это отключение САОР не являлось ключевым нарушением, поскольку САОР предназначена для исключения расплавления активной зоны при разрывах трубопроводов КМПЦ.
Однако диспетчер Киевэнерго не дает разрешение на заглушение аппарата и начало испытаний, и блок работает без САОР, что технологическим регламентом не допускается.
23ч.10 мин. Получено разрешение на остановку реактора. Мощность снижена до 700 МВт (тепловых). Запас реактивности до снижения был около 26 ст.РР. После снижения началось уменьшение запаса реактивности из-за отравления ксеноном.
Смена, заступившая с 0,00 часов 26 апреля, приняла реактор на мощности 700 МВт.
В результате выхода стержней локального автоматического регулятора (ЛАР), компенсирующего отравление, на верхние концевые выключатели произошло отключение ЛАР и переход на автоматический регулятор интегральной мощности (АР) основного диапазона. Однако ведущему инженеру управления реактором (ВИУР) не удалось удержать его в работе и реактор был заглушен. В таких случаях нужно ждать разотравления реактора, но вместо этого начали подъем мощности.
1ч.00 мин. Персоналу, наконец, удалось поднять мощность реактора и стабилизировать её на уровне 200 МВт (тепловых) вместо 700-1000, определённых программой испытаний.
1ч.03 мин.-1ч.07мин. К 6 работающим главным циркуляционным насосам (ГЦН) дополнительно подключили еще 2, чтобы повысить надежность охлаждения активной зоны. С другой стороны, это подключение снижает запас до температуры насыщения на всасе ГЦН, а следовательно, и на входе в технологические канаты (ТК).
Ввиду значительных колебаний давления и уровня воды в барабанах-сепараторах, чтобы исключить останов блока по этим параметрам, персонал отключил защиту по давлению и уровню, что запрещено регламентом.
1ч. 20 мин. В результате отравления ксеноном стержни рабочего регулятора вышли почти на верхние концевые выключатели. Чтобы не допустить отключения АР и удержать его в зоне регулирования, ВИУРу пришлось интенсивно извлекать стержни ручного регулирования и укороченные стержни-поглотители (УСП).
В результате включения двух ГЦН в дополнение к шести работающим, уровень в барабанах-сепараторах стал уменьшаться. Для поддержания уровня ведущий инженер управления блоком (ВИУБ) резко увеличил подачу питательной воды в реактор, с 0,75 первоначального расхода (если за 1 принять среднее значение расхода питательной воды на мощности 200МВт) до трех, а затем и 4-х кратного. Вследствие этого технологические каналы оказались заполненными водой по всей высоте активной зоны, в то время как до увеличения подпитки паровая фаза занимала верхнюю часть канала на участке 1,5-2 м от верха активной зоны.
При положительном паровом коэффициенте реактивности в этом случае выделяется отрицательная реактивность, аппарат начинает глохнуть. Для удержания его на мощности необходимо извлекать стержни РР и УСП, что еще больше уменьшает запас реактивности.
Сочетание двух факторов: отравления и увеличения расхода питательной воды, - привело к тому, что в 1ч. 22мин. 30 сек, по данным распечатки программы "ПРИЗМА", в активной зоне находилось всего 6-8 стержней в пересчете на полностью погруженные.
После стабилизации уровня в барабанах-сепараторах ВИУБ резко снижает расход питательной воды до исходного.
В технологических каналах начинает образовываться паровая фаза, начиная от верхних участков активной зоны и распространяясь вниз. Аппарат начинает разгоняться. Включение дополнительных двух ГЦН способствовало этому разгону, поскольку уменьшило запас до температуры насыщения на входе в активную зону. Работающий регулятор стремится подавить увеличение мощности, идет вниз, доходит до нижнего концевого выключателя, происходит автоматический переход на резервный регулятор, который также начинает движение вниз, что было зафиксировано программой быстрой диагностики и регистрации параметров (ДРЕГ). Однако эффективности четырех стержней регулятора не хватает, и мощность реактора продолжает медленно увеличиваться.
Задачей ведущего инженера управления реактором в этой ситуации было "помогать" регулятору в подавлении растущей мощности путем ввода в активную зону стержней РР и УСП. Но, очевидно, выбор стержней для ввода в активную зону был неудачным.
Удачный выбор стержней на управление и их быстрый ввод в активную зону (по 4 или по 2) смогли бы остановить рост мощность и предотвратить аварию даже в этот момент.
1ч. 23 мин. После стабилизации давления и уровня в барабанах-сепараторах испытания на выбеге начались.
1ч. 23 мин. 04 сек. Закрыт стопорно-регулирующий клапан турбогенератора номер 8. Начался режим выбега.
В этом случае должна была сработать еще одна защита - останов реактора по отключению последнего оставшегося в работе турбогенератора. Но персонал, зная это, отключил заблаговременно эту защиту, по-видимому, чтобы иметь возможность повторить испытания, если первая попытка не удастся.
Поскольку на каждой из сторон контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) 2 ГЦН были запитаны от системы, а 2 - от выбегающего турбогенератора, в процессе испытаний расход через КМПЦ уменьшался, увеличивалось парообразование, а это способствовало ускорению нарастания мощности.
В 1ч.23 мин. 40 сек. на мощности примерно 500 МВт (тепловых) начальник смены 4-го блока, поняв опасность ситуации, дал команду ВИУРу нажать кнопку АЗ-5. Стержни СУЗ пошли в зону, но дошли только до 3-3,5 м. Тогда ВИУР обесточил муфты сервоприводов, чтобы стержни опустились в зону под действием собственной тяжести, но большинство из них так и остались в верхней половине активной зоны.
В 1ч. 23 мин. 49 сек. произошел взрыв.
Ночью с 25 на 26 апреля на 4 блоках АЭС работало 176 человек - дежурный персонал и ремонтные службы.
На двух стоящих блоках 5 и 6 находилось 268 строителей и монтажников. Несколько десятков человек рыбачили на берегах пруда охладителя.
Все они стали очевидцами того, как в 1 час 23 мин 49 с. раздались 2 взрыва . Над четвертым энергоблоком на фоне черного неба стали видны раскаленные куски ,икры, всполохи пламени.
Вздрогнули и прогнулись толстые железобетонные стены, в потоке пара рванули ввысь лопнули трубопроводы, на крыше во многих местах начался пожар.
Над реактором возникло оранжевое свечение .
5.2 Причины аварии на 4-м энергоблоке ЧАЭС.
Анализируя данные хронологии развития аварии, а также расчётные исследования по определению эффективности СУЗ в предаварийном состоянии, можно сформулировать следующие причины аварии.
Технические причины:
а) недостаток конструкций стержней РР, ПКАЗ, АЗ - наличие положительного выбега реактивности при погружении этих стержней с верхних концевиков. Как показывают результаты расчётных исследований при варьировании исходного высотного распределения плотности потока тепловых нейтронов в пределах точности показаний датчиков СФКРЭ вводимая положительная реактивность лежит в пределах 0,5-1,15,
б) недостатком системы аварийной защиты. Как показывают результаты расчётов, если бы стержни УСП были задействованы в аварийную защиту, отсутствовал бы положительный выбег реактивности,
в) положительный паровой коэффициент реактивности.
Ошибки персонала:
а) снижение запаса реактивности ниже допустимой величины;
б) провал мощности до нуля во время её снижения, а затем подъём и работа на уровне меньшем, чем записано в программе эксперимента (200 МВт); на малой мощности аппарат менее устойчив, поскольку, во-первых, точность поддержания мощности автоматическим регулятором в диапазоне 0,25-20%Wном равна 3%, в то время как в диапазоне (20-100)Wном=1%; во-вторых, на малой мощности небольшие её колебания приводят к значительным изменениям реактивности. Это объясняется небольшим запасом температуры теплоносителя на входе в активную зону до температуры насыщения из-за малого расхода питательной воды;
в) подключение к реактору всех восьми ГЦН с превышением расходов, установленных регламентом, по отдельным ГЦН;
г) блокировка персоналом защиты по повышению давления и снижению уровня в барабанах-сепараторах;
д) блокировка защиты по отключению двух турбогенераторов;
е) отключение САОР.
К ключевым нарушениям персонала следует отнести а) и б).
Авария на ЧАЭС привела к выбросу из активной зоны реактора 50 МКи радионуклидов и 50 МКи радиоактивных благородных газов , что составляет 3-4% от исходного количества радионуклидов в реакторе, которые поднялись с током воздуха на высоту 1200 м. Выброс радионуклидов в атмосферу продолжался до 6 мая, пока разрушенную активную зону реактора не забросали мешками с доломитом, песком, глиной и свинцом. И все это время в атмосферу поступали радионуклиды, которые развеялись ветром по всему миру. Отдельные мелкодисперсные частицы и радиоактивные газы были зарегистрированы на Кавказе, в Средней Азии, Сибири, Китае, Японии, США. 27 апреля в Хойниках радиационный фон составлял 3 Р/ч ! Хватит и пяти дней, чтобы чтоб заболеть хронической лучевой болезнью. 28 апреля на большей части северной Европы, в частности в Дании наблюдалось повышение радиационного фона на 10% от исходного уровня . Сложные метеорологические условия и высокая летучесть радионуклидов привели к тому, что радиационный след сформировался в виде отдельных пятен.
Наряду с сильным загрязнением попадались участки совсем не загрязненные. Выпадение радиоактивности наблюдалось даже в районе Балтийского моря в виде длинного узкого следа. Сильному радиоактивному загрязнению подверглись Гомельская и Могилевская области Белоруссии, некоторые районы Киевской и Житомирской областей Украины, часть Брянской области России. Но основная часть радионуклидов осела в так называемой 30-километровой зоне и к северу от неё.
В выбросах было выделено 23 основных радионуклида. Большая часть из них распалась в течении нескольких месяцев, облучая при этом все вокруг дозами, в несколько десятков и сотен раз превосходящих фоновые. Из этих нуклидов наиболее опасен йод-131, имеющий период полураспада 8 сут и обладающий высокой способностью включаться в пищевые цепи. Однако его воздействие кратковременно, и заражения им человеку легко избежать путем проведения йодопрофилактики (т.е. в молекулы организма включается только «нормальный» йод, а радиоактивному как бы уже и места нет и он спокойно выводится из организма) и снижения потребления продуктов, превышающих санитарные нормы содержания его. В первые месяцы после аварии было категорически запрещено вести какую-либо хозяйственную деятельность на загрязненной территории, поэтому со стороны йода опасности заражения продуктов питания не возникло, она заключалась лишь в альфа- и бета-излучении.
Из долгоживущих изотопов, которые лучше назвать среднеживущими, наиболее значимыми являются стронций-90 и цезий-137 с периодами полураспада соответственно 29 и 30 лет. Они обладают рядом особенностей поведения в организме, путей поступления и способов выведения из организма, разные продукты обладают различной способностью концентрировать их в себе. Так, в 90 г. в Хойническом районе Гомельской области Белоруссии содержание цезия-137 в мясе в 400 раз; в картофеле – в 60 раз; в зерне – в 40-7000 раз (в зависимости от вида и места произрастания); в молоке – в 700 раз, а стронция – в 40 раз было выше нормы .
Что же можно сказать о таких долгоживущих изотопах, как калий-40, плутоний-239 и других, выбросы которых также имели место, периоды полураспада которых исчисляются тысячами и миллионами лет, об их участии в загрязнении окружающей среды сказано достаточно мало. Можно лишь сказать, что радиоактивный калий так же активно вступает в метаболизм, как и стабильный его изотоп, а плутоний, попадая в легкие, даже в очень малых концентрациях, способен вызвать рак их.
Но что же было сделано для того, чтоб очистить зараженные территории от радионуклидов, чтоб больше не подвергать людей этой опасности? Ведь отдаленные последствия хронического действия малых доз радиации – малоизученная область знания, почти ничего не известно о влиянии этого фактора на потомство. Одно можно сказать, что сколь угодно малой не была доза, она обязательно даст о себе знать.
Дезактивация территорий заключалась в одном – смыве радиоактивной пыли с поверхностей предметов. Это, конечно, важно и необходимо, но кто подумал о том, куда это всё смывалось, о земле, и так уже заражённой? Даже более того, 30-ти километровая зона была объявлена своеобразной «лабораторией», полигоном научных исследований для изучения влияния радиации на природу, следовательно не принималось никаких попыток по дезактивации почв. За пределами 30-километровой зоны таких работ также не проводилось, хотя науке известны способы выведения радионуклидов из почв. Основным принципом таких работ является перевод радионуклидов в растения с последующим их выкосом и захоронением. Ионы в почвах могут существовать в двух видах : в растворимом и адсорбированном. В адсорбированном виде они недоступны для растений. Сорбционная способность почв зависит от типа почв, наличия в них тех или иных веществ, оводненности и многих других факторов. Сорбция велика при наличии органических веществ в почве. Она значительно снижается при низких значениях рН, при наличии комплексонов, а также атомов-аналогов, которыми авляются для Со,Y и Се – Fe и Al, для Sr и Cs – Са и К. Адсорбированные же ионы легко вытесняют друг друга в соответствии с рядом активности металлов. Стронций вытесняется ионами железа и меди, к тому же сам обладает достаточной подвижностью в почвах. Цезий практически не вытесняется, но по данным Куликова И.В. и др. [7] десорбируется водными растительными экстрактами и ЭДТА. Его подвижность увеличивается в почвах с высоким содержанием К и Са. Эта проблема требует дополнительных исследований.
Сильно пострадала территория, находящаяся в непосредственной близости от 4-го блока. От мощного облучения короткоживущими изотопами погибла часть хвойного леса. Умершая хвоя была рыжего цвета, а сам лес таил в себе смертельную опасность для всех, кто в нем находился. После осыпания хвои из голых ветвей проглядывали редкие зеленые листья березы – это говорило о большей устойчивости лиственных деревьев к радиации. У выживших хвойных деревьев летом 86 г. наблюдалось ингибирование роста, некроз точек роста, рост спящих почек, уплощение хвои, иголки ели по длине напоминали сосновые . Вместе с тем наблюдались компенсаторные реакции: увеличение продолжительности жизни хвои в ответ на снижение митотической активности и рост спящих почек в связи со смертью точек роста.
Весь мертвый лес площадью в несколько га был вырублен, вывезен и навсегда погребен в бетоне. В оставшихся лесах предполагается замена хвойных деревьев на лиственные. В результате катастрофы погибли все мелкие грызуны. Исчез с лица земли целый биоценоз хвойного леса, а сейчас там – буйное разнотравье случайной растительности.
Вода так же подвержена радиоактивному загрязнению, как и земля. Водная среда способствует быстрому распространению радиоактивности и заражению больших территорий до океанических просторов.
В Гомельской области стали непригодными для использования 7000 колодцев, ещё из 1500 пришлось несколько раз откачивать воду.
Пруд-охладитель подвергся облучению свыше 1000 бэр. В нем скопилось огромное количество продуктов деления урана. Большинство организмов, населяющих его, погибли, покрыли дно сплошным слоем биомассы. Сумели выжить лишь несколько видов простейших. Уровень воды в пруде на 7 метров выше уровня воды в реке Припять, поэтому и сегодня существует опасность попадания радиоактивности в Днепр.
Стоит конечно сказать, что усилиями многих людей удалось избежать загрязнения Днепра путем осаждения радиоактивных частиц на построенных многокилометровых земляных дамбах на пути следования зараженной воды реки Припять. Было также предотвращено загрязнение грунтовых вод – под фундаментом 4-го блока был сооружен дополнительный фундамент. Были сооружены глухие дамбы и стенка в грунте, отсекающие вынос радиоактивности из ближней зоны ЧАЭС. Это препятствовало распространению радиоактивности, но способствовало концентрации её на самой ЧАЭС и вокруг неё. Радиоактивные частицы и сейчас остаются на дне водоемов бассейна Припяти. В 88 г. принимались попытки очистки дна этих рек, но в связи с развалом союза не были закончены. А сейчас такую работу вряд ли кто-нибудь будет делать.
6.Заключение
Ученые считают, что при нескольких крупномасштабных ядерных взрывах, повлекших за собой сгорание лесных массивов, городов, огромные слоя дыма, гари поднялись бы к стратосфере, блокируя тем самым путь солнечной радиации. Это явление носит название “ядерная зима”. Зима продлится несколько лет, может даже всего пару месяцев, но за это время будет почти полностью уничтожен озоновый слой Земли. На Землю хлынут потоки ультрафиолетовых лучей. Моделирование данной ситуации показывает, что в результате взрыва мощностью в 100 Кт температура понизится в среднем у поверхности Земли на 10-20 градусов. После ядерной зимы дальнейшее естественное продолжение жизни на Земле будет довольно проблематичным:
возникнет дефицит питания и энергии. Из-за сильного изменения климата сельское хозяйство придет в упадок, природа будет уничтожена, либо сильно изменится.
произойдет радиоактивное загрязнение участков местности, что опять же приведет к истребление живой природы
глобальные изменения окружающей среды (загрязнение, вымирание множества видов, разрушение дикой природы).
Ядерное оружие - огромная угроза всему человечеству. Так, по расчетам американских специалистов, взрыв термоядерного заряда мощностью 20 Мт может сравнять с землей все жилые дома в радиусе 24 км и уничтожить все живое на расстоянии 140 км от эпицентра.
Учитывая накопленные запасы ядерного оружия и его разрушительную силу, специалисты считают, что мировая война с применением ядерного оружия означала бы гибель сотен миллионов людей, превращение в руины всех достижений мировой цивилизации и культуры.
К счастью, окончание холодной войны немного разрядило международную политическую обстановку. Подписаны ряд договоров о прекращении ядерных испытаний и ядерном разоружении.
Также важной проблемой на сегодняшний день является безопасная эксплуатация атомных электростанций. Ведь самая обыкновенное невыполнение техники безопасности может привести к таким же последствиям что и ядерная войны.
Сегодня люди должны подумать о своем будущем, о том в каком мире они будут жить уже в ближайшие десятилетия.
Список использованной литературы.
Абатуров Ю.Д. и др. Некоторые особенности радиационного поражения сосны в районе аварии на ЧАЭС.- Экология, 1991, №5, с.14-17.
Антонов В.П. Уроки Чернобыля: радиация, жизнь, здоровье.-К.: О-во «Знание» УССР, 1989. - 112 с.
Возняк В.Я. и др. Чернобыль: события и уроки. Вопросы и ответы/Возняк В.Я., Коваленко А.П., Троицкий С.Н.-М.:Политиздат, 1989. - 278 с.:ил.
Григорьев Ал.А.Экологические уроки прошлого и современности.- Л.:Наука, 1991. - 252 с.
Лупадин В.М. Чернобыль: оправдались ли прогнозы? – Природа, 1992, №9, с 22-24.
Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Энергоатомиздат, 1985. 352 с., ил.