Нерадиационни въздействия на предприятията от ядрения горивен цикъл върху околната среда

Още в първите години на развитието на ядрената енергетика основно внимание по отношение защитата на околната среда е било отделяно на радиационната безопасност на предприятията от ЯГЦ. През 70-те години на миналия век основната част от радиационните проблеми на ядрените производства са били в разумна степен решени и тогава е започнало сериозното разглеждане на нерадиационните въздействия върху околната среда. Към тях се отнасят (както вече стана дума по-рано) използуването на природните ресурси (земя, вода, различни материали), топлинните и химични изхвърляния в атмосферата. Част от тези въздействия бяха разгледани за началния стадий на ЯГЦ, където те са най-значими. Тук ще анализираме топлинните въздействия.

Топлинни емисии от АЕЦ

Топлинните изхвърляния са характерни за всички етапи на ЯГЦ. В следващата таблица се съдържат данни за топлинната мощност на съоръженията, необходима за поддържането на един представителен реактор (1GWe.a).

 

Стадий

Консумирана топлинна мощност [GW]

Добив на уранова руда

0.0032

Преработка на рудата, получаване на U3O8

0.012

Конверсия на U3O8 в газообразен UF6

0.0014

Изотопно обогатяване до 4%  235U

0.097

Производство на свежо гориво

0.00045

Работа на АЕЦ

3.0

 

Ясно е, че всички топлинни изхвърляния в отделните етапи от ЯГЦ са само части от процента в сравнение с топлинните емисии при експлоатацията на АЕЦ. Коефициентът на полезно действие (КПД) на АЕЦ е около 33%, т.е. на всеки 1GW електрическа мощност топлинните изхвърляния са около 2GW.

Такова топлинно въздействие върху околната среда оказват, разбира се, и обикновените ТЕЦ, основани на ОГЦ. Съществуват обаче две съществени различия между топлинните емисии на ТЕЦ и АЕЦ.

Първото от тях се състои в това, че КПД на ТЕЦ е по-голям от този на АЕЦ (40% срещу 33%). Това се дължи на по-добрите в термодинамично отношение характеристики на парата, произвеждана от ТЕЦ (по-точно на по-високата температура на парата). Сравнително ниската температура на парата при АЕЦ на леководни реактори под налягане (около 300 0С) е технологично обусловена от работната температура на топлоносителя в този тип ядрени реактори. При реакторите на бързи неутрони и при високотемпературните газоохлаждаеми реактори КПД на АЕЦ може също да достигне 40%.

Второто различие между топлинните изхвърляния на АЕЦ и ТЕЦ се дължи на принципни различия в технологичните им схеми. При АЕЦ всички топлинни изхвърляния стават само през кондензационната система, която се охлажда с вода. При ТЕЦ обаче значителна част (около 15% от цялата топлинна мощност) постъпва в атмосферата директно през димоотводната тръба заедно с газообразните продукти на изгарянето на органичните горива. Поради това ТЕЦ замърсяват топлинно както хидросферата, така и атмосферата.

Системи за охлаждане на отработената пара от АЕЦ

Характерът на топлинните изхвърляния съществено зависи от избраните системи за охлаждане на отработената пара на АЕЦ. Съществуват няколко системи за охлаждане, които ще разгледаме накратко във връзка с тяхното влияние върху околната среда.

Директно охлаждане

Схема на директно охлаждане

1-турбина, 2-кондензатор, 3-помпи

Това е най-икономичната система за охлаждане. При нея АЕЦ се разполагат близо до реки, езера, изкуствени водохранилища или море. Водата от тези източници се подава към кондензаторите на турбините на АЕЦ, и преминавайки през тях тя повишава температурата си с няколко градуса (6-16 0С) в зависимост от проектирания разход на вода, след което отново се връща в съответния резервоар, който има практически неограничен обем. За типична АЕЦ разходът на охлаждаща вода е 50m3/s за 1GWe мощност. При това температурата на водата се повишава с 10 0С на изхода на кондензатора.

Недостатък на този тип система е преди всичко големият разход на вода (сравним с водопотреблението на многомилионен град), както и постоянното изхвърляне на топли води в хидросферата, което води до влошаване на екологичната обстановка в тях в околността на АЕЦ. Става дума главно за унищожаването на зоопланктона, преминал през кондензаторите на АЕЦ. Съществува и известен синергизъм в комбинираното въздействие на топлината, химичните и радиоактивните замърсявания във водната среда. Например, увеличаването на температурата води до по-голяма концентрация на химичните и радиоактивни вещества в тъканите на рибите.

Изучаването на екологичните последствия от постоянните изхвърляния на топли води в природните водоеми е довело до създаването и обосновката на допустими норми на повишаване на температурата, които не оказват измеримо вредно въздействие върху биосферата. Тези норми в Русия са приети да бъдат такива, че в площта от 0.5km2 в непосредствено съседство от източника на изхвърляне температурата на водата да не превишава с повече от 3 0С през лятото и повече от 5 0С през зимата тази на околната вода, и то при условие, че този район не се използува за вододайни нужди или за развъждане на риба. За да бъдат изпълнени тези изисквания, практически е необходимо да се спазват следните правила (отнесени към една стандартна АЕЦ):

·        Стокът на реката, около която е АЕЦ, да е не по-малък от 250m3/s (тези пресмятания са направени при модел на равномерно смесване на топлата и студената вода);

·        Площта на водното огледало на езерото (естествено или изкуствено) да е не по-малка от 30km2, ако това езеро е с многоцелево предназначение;

·        Ако водоемът е изкуствено създаден специално за нуждите на топлоцентралата и е екологично изолиран, площта на водното огледало трябва да е не по-малка от 3km2.

 

Тези изисквания ограничават възможностите за концентрация на блоковете на АЕЦ. За България е ясно, че за постигане на тези норми АЕЦ  с директно поточно охлаждане може да бъде построена само на р.Дунав или на Черно море.

Охлаждане чрез охладителни кули

В практиката на ТЕЦ (и АЕЦ) се използуват и системи за охлаждане чрез специално построени охладителни кули. В кулите охлаждането на водата става по два начина:

·        чрез директен топлообмен, и

·        чрез частично изпарение на водата.

За да се подобрят условията за изпаряване на водата и за топлопредаването от водата към въздуха, в пространството на оросяването на кулите се подава въздух. Това става:

·        принудително (вентилаторни кули),

·        за сметка на създаване на тяга на въздуха от височината на съоръжението (високи кули),

·        или за сметка на силата на вятъра или естествената конвекция (атмосферни кули).

Охладителна кула с принудително действие:

1-турбина, 2-кондензатор, 3-помпи, 4-оросяващо устройство, 5-кула, 6-басейн

Тази система за охлаждане е свързана винаги със загуби на вода поради частичното й изпарение и по тази причина тя трябва да се "долива" със свежа вода. Този разход на вода е около 0.8-1.2m3/s за един типичен леководен реактор; това е от порядъка само на 1-2% от количеството вода, използувано при системите с директно поточно охлаждане. Друго предимство на този метод на охлаждане е това, че при него топлината отива директно в атмосферата, която е по-малко чувствителна към топлинни въздействия от хидросферата.

Подборът на мястото на АЕЦ е от основно значение при използуване на този метод на охлаждане. Освен това е необходима и система за ефективно улавяне на влагата от кулите. Проблемът е в това, че при охлаждането чрез кули в атмосферата се изпуска огромно количество водна пара (хиляди тона за час за един типичен реактор). Влиянието на такива изхвърляния върху атмосферните явления и микроклимата в околността се състои в увеличаването на количеството на валежите в пролетния и есенния сезон, както и на честотата на образуване на облаци и мъгли. Последните могат да увеличат заболеваемостта на населението, както и да повлияят неблагоприятно на състоянието на биоценозите в този район.

Мощността на топлинните изхвърляния в атмосферата при този метод се оценява на около 40kW/m2 за един типичен реактор, а емисиите са концентрирани на площ около 5.5.104m2. Това обстоятелство също ограничава концентрацията на много блокове АЕЦ на едно място поради опасността от образуването на т.нар. "топлинни острови", които могат значително да нарушат процесите на въздушна циркулация близо до АЕЦ.

Трябва да се спомене, че този метод е и по-скъп от метода с директно охлаждане. Това се отразява с около 5-6% повишаване на производствената цена на електроенергията от АЕЦ с охладителни кули.

Системи с въздушно охлаждане

Схемата на такава охладителна система е показана на следващата фигура. От гледна точка на защитата на природната среда такива системи с въздушна кондензация са за предпочитане пред всички останали, тъй като при тях практически няма загуба на вода. Освен това, АЕЦ с такава система за охлаждане не е привързана към някакъв голям водоизточник и може да се разположи в район, който е по-удобен от друга гледна точка. При въздушната кондензация няма и големи изхвърляния на влага в атмосферата. Недостатък на такива системи е лошата им ефективност при температури на въздуха над 25 0С. Това води до принудително намаляване на мощността на АЕЦ, намалява се КПД на АЕЦ и съответно нараства разходът на ядрено гориво. Този метод на охлаждане значително увеличава цената на получената електроенергия. Тя е с 20-25% по-висока от тази на АЕЦ с директно охлаждане. Размерите на охладителните кули в този случай са значително (към два пъти) по-големи отколкото кулите с принудително охлаждане, което води до нарушаване на пейзажа. Този метод на охлаждане не избягва възможността за образуване на "топлинни острови" при нарастване на мощността или концентрацията на няколко блока в малък район.

Въздушна охладителна кула:

1-турбина, 2-кондензатор, 3-помпи, 4-топлообменник, 5-кула

За ограничаване на недостатъците на системите с атмосферно охлаждане се използуват и комбинирани системи, които при ниски температури на въздуха работят като въздушни, а при високи температури към въздушните топлообменници се подава известно количество оросяваща вода, която увеличава топлопредаването.

Комбинирана система за охлаждане:

1-турбина, 2-кондензатор, 3-помпи, 4-топлообменник, 5-кула, 6-оросяващо устройство,

7-басейн

Влияние на антропогенните топлинни емисии върху биосферата

Все още това влияние не е напълно изучено, а съответните модели имат доста приблизителен характер. Въз основа на тях могат да се направят следните изводи:

1.      Плътността на антропогенните топлинни изхвърляния, усреднена по цялата повърхност на Земята, не бива да надвишава 2W/m2. Пресмятанията показват, че превишаването на това ниво води до повишаване на температурата в приземния слой с 1 0С. От гледна точка на съвременната климатология такова изменение на температурата на Земята ще доведе до значителни неблагоприятни климатични промени в глобален мащаб. Например пресметнато е, че в резултат на такова изменение световното производство на хранителни продукти ще намалее с 1 до 3%.

2.      Пределно допустимите нива за антропогенните топлинни замърсявания за отделни региони (територии с линейни размери от 100 до 1000km) се оценяват от различни изследвания в границите между 4 и 20W/m2. Смята се, че ако средната антропогенна топлинна плътност в такъв район превиши 4W/m2 това може да повлияе на изменението на циркулационния режим на атмосферата, което е свързано с генериране на допълнителна кинетична енергия в атмосферата. Такова изменение обаче не е съществено от гледна точка на топлинния режим на атмосферата. Ако обаче се надмине нивото от 20W/m2, то такъв "топъл регионален остров" може да доведе до климатични изменения не само в регионален, но дори и в глобален мащаб.

3.      Много е сложен въпросът за влиянието на антропогенните топлинни емисии върху околната среда в локален мащаб (това са територии с линейни размери под 100km). Фактически този въпрос се свежда до проблема за максималната мощност на отделния топлинен източник (в случая отделна АЕЦ). Като известен ориентир тук може да служи числото 50kW/m2. Изучаването на кинетиката на вулканичната активност е показало, че ако плътността на топлинната емисия надвиши това количество, то това води до образуване на силни природни аномалии в този район (смерчове), а също и към повишаване на честотата на обикновените атмосферни явления (дъждове, облаци, мъгли и др.).

Оттук могат да се направят изводи в няколко посоки, налагащи ограничения на топлинните емисии.

Ограничения  на сумарната мощност на енергетиката в световен и регионален мащаб

Съгласно горните оценки за максимално допустимата плътност на антропогенно генерираните топлинни емисии се пресмята, че допустимата сумарна топлинна мощност за цялата Земя е 106GW, а за отделен регион (например Европа, с площ 1013 m2) тази допустима мощност е около 2.104GW (разбира се, и в двата случая става дума за топлинна мощност).

Тези граници са доста големи. За сравнение трябва да се каже, че общата световна топлинна мощност е около 1% от така определената пределно допустима граница, а сумарната мощност на отделните региони достига 10% от допустимата граница.

Оценките за развитие в дългосрочен план на енергопотреблението на Земята водят до извода, че то ще се стабилизира през следващите 100 години на ниво около 2.4.105GW.  Това ще доведе до увеличаване на плътността на енергоотделяне с 0.5W/m2, което ще предизвика увеличаване на температурата в приземния слой с около 0.4 0С. Такова изменение на температурата не се очаква да предизвика съществени климатични изменения. В подкрепа на това твърдение се сочи обстоятелството, че за 30 години (от 1940 до 1970) средната глобална температура се е увеличила с 0.3 0С, което не е довело до особено неприятни последствия.

Изглежда, че ефектите от топлинното въздействие на енергетиката в глобален и регионален мащаб нямат сериозни последствия върху околната среда понастоящем и вероятно няма да имат такива последствия и в обозримото бъдеще. Трябва да си даваме сметка обаче за факта, че локалните явления (точка 3 от предния раздел) могат да засегнат в крайна сметка големи територии и контингент от население.

Ограничения за единичната мощност на АЕЦ

Ако АЕЦ използува система за охлаждане с охладителни кули с принудителна или въздушна кондензация на парата или техни комбинации, то топлинните емисии отиват главно в атмосферата. Както видяхме по-горе, става дума за топлинна мощност от порядъка на 50kW/m2, разпростряна върху площ от 5.5.104m2 за всеки 1000GWe. Изискванията за защита на околната среда, формулирани по-горе водят до ограничение на общата мощност на АЕЦ до 30GWe.

За АЕЦ, използуващи система с пряко охлаждане на парата, са валидни изискванията, споменати по-преди (река със сток не по-малко от 250m3/s, респ. 30km2 водна площ за многофункционален воден басейн или 3km2 за специален екологично изолиран басейн за всеки 1000GWe). В такъв случай пресмятанията трябва да се правят за всеки конкретен водоизточник.

Трябва да се има предвид, че възможностите на големите реки в гъстонаселените райони на Европа, САЩ, Япония и Европейска Русия са вече практически изчерпани. Това води до извода, че при прогнозите за развитието на енергетиката в тези гъстонаселени райони трябва да се разчита главно на охлаждане на големите АЕЦ чрез охладителни кули. Изглеждат перспективни (също и от екологична гледна точка) комбинираните схеми за кондензация на парата с циркулация на влага, която допълнително оросява топлообменниците. Това може да намали трудностите с осигуряването на водоизточници с голям дебит.