Ядерная энергетика: экологический ракурс

Стабильная работа промышленного комплекса Украины зависит, в первую очередь, от его бесперебойного энергообеспечения. Минимальные собственные углеводородные ресурсы, достаточные лишь для потребностей жилищно-коммунального комплекса, маломощность и недостаточная разработка новых и альтернативных видов энергии ставят ядерную энергетику в Украине в приоритетное положение.

Вокруг «урановой столицы»

Развитие ядерной энергетики базируется на наличии в Украине следующих факторов: разведанные запасы сырья (урановых руд); предприятия по добыче, обогащению и переработке уранового сырья; высококвалифицированные кадры специалистов-атомщиков — как переработчиков ядерного сырья, так и эксплуатационников-энергетиков;  атомные электростанции, потребители ядерного топлива и производители электроэнергии;  мощные промышленные потребители электроэнергии, производящейся на атомных электростанциях.

Однако «покоренный мирный атом» требует уважительного отношения к себе, глубоких знаний, дисциплины и высокой культуры производства. Получение ядерной энергии сопряжено с радиоактивным воздействием — невидимым, но смертельно опасным фактором влияния на живые организмы. В настоящее время можно выделить следующие отрасли атомной промышленности, которые требуют экологического подхода в связи с загрязнением природной среды естественными и искусственными радионуклидами: 1) добыча и переработка ядерного горючего; 2) атомная энергетика; 3) захоронение радиоактивных отходов. В этой связи радиоэкология, как наука, изучающая закономерности миграции и биологического действия радионуклидов в компонентах биосферы, приобретает важное теоретическое и практическое значение.

На заре атомной эры создание и испытание ядерного оружия, развитие атомной промышленности, разработка месторождений урана, использование радиоизотопов и радиоизлучения в народном хозяйстве и медицине требовали глубокой оценки влияния на живые организмы естественной и искусственной радиоактивности. Исследования приобретали важное теоретическое и практическое значение, и постановлением Совета Министров УССР №1370 от 7 декабря 1962 года эта тематика была отнесена к числу наиболее важных.

На рубеже 50—60-х годов в Днепропетровском университете формируются новые научные направления — пресноводная радиоэкология и радиационная нейрохимия — как два крыла науки о взаимодействии живых организмов с радиацией.

По ряду причин Днепропетровск становится «урановой столицей» Украины. На сегодняшний день в стране разведано 21 месторождение урановых руд. Основная их часть расположена в Днепропетровской, Кировоградской и Николаевской областях, в зонах водосборного и дренажного бассейна Днепра. Есть месторождения урановых руд также в зонах водосборных бассейнов рек Южный Буг и Северский Донец. Эксплуатация этих месторождений в связи с интенсивным развитием первичного ядерного цикла страны привела к техногенному загрязнению подземных и поверхностных вод и вызвала острую необходимость оценки состояния радиоактивного загрязнения пресноводных водоемов юго-восточного региона Украины. На территории Днепропетровской области с конца 50-х годов XX века интенсивно занимались переработкой урановой руды, уранового концентрата и доменного шлака производственное объединение «Приднепровский химический завод», ориентированное на добычу урановых руд в г. Желтые Воды.

Два крыла науки

В 1959 году президиум АН СССР включил направление «Основные закономерности и механизм действия ядерных излучений на биологические объекты» в состав главных научных программ. Куратором был определен Институт биофизики АН СССР. Учитывая интенсивное развитие уранодобывающей и ураноперерабатывающей отраслей промышленности на Днепропетровщине, председатель научного совета по данному направлению профессор А.М.Кузин обратился в НИИ гидробиологии ДГУ с предложением принять участие в разработке проблемы. Основанием для этого была и работа с 1955 года радиобиологического семинара, и чтение профессором Иваном Павловичем Лубяновым  курса радиобиологии для студентов всех специальностей биологического факультета, и приобретение необходимой аппаратуры, и овладение методикой роботы с радиоактивными веществами. На рубеже 50—60-х годов в Днепропетровском университете под руководством профессора Лубянова начинает формироваться новое научное направление — пресноводная радиоэкология.

В это же время и по тем же причинам профессор Днепропетровского университета Александр Дмитриевич Рева  закладывает основы развития радиационной нейрохимии. Коллектив под его руководством, также впервые на Украине, начинает изучать биохимический состав и обмен веществ в функционально и морфологически различных участках: сначала — поперечного утолщения спинного мозга, а затем и головного мозга животных.

И Лубянов, и Рева были фронтовиками и не раз встречались со смертью на суровых дорогах Великой Отечественной войны, поэтому они хорошо понимали важность глубокого изучения действия радиации на биоту. Интенсивно взаимодействуя между собой, оба научных направления, как два крыла науки о взаимодействии живых организмов с радиацией, мощно развивались в Днепропетровском университете.

Говоря о развитии пресноводной радиоэкологии, следует подчеркнуть, что радиоэкологические исследования в 50—60 годах в основном включали изучение процессов миграции, накопления и распределения в водных экосистемах радионуклидов стронция-90 и цезия-137 как особенно опасных продуктов ядерных реакций во время испытаний атомного оружия. Проводились работы по подбору организмов-концентраторов для дезактивации радиоактивного загрязнения воды, разрабатывались рекомендации по недопущению поступления радионуклидов в организм человека.

В 1962 году выходит первая статья по этой тематике — «Об изучении радиоактивности донных животных пресноводных водоемов» («Радиобиология» 1962, т. 2, вып. 2). Также заслуживает внимания одна из первых работ молодого коллектива радиоэкологов по накоплению естественных радионуклидов наиболее распространенными гидробионтами (И.П. Лубянов, Л.М. Титова и др.). Материалы для этой работы отбирались на акваториях Днепровского и Днепродзержинского водохранилищ, днепровских притоках Самаре, Орели и Конке, в нагульных прудах Каховского нерестово-выростного хозяйства и рыбхоза «Таромский», в заболоченных водоемах в долинах рек Орели и Днестра. На основании проведенных исследований были установлены следующие закономерности накопления естественных радионуклидов в водных экосистемах: естественная радиоактивность воды зависит от ее общей минерализации, проточности и комплексного использования, во все годы исследований радиоактивность воды находилась в пределах 4,3—55,1 пикокюри/л; донные грунты исследуемых водоемов являются хорошим аккумулятором радиоактивных веществ; коэффициенты накопления естественной радиоактивности макрофитами находились в диапазоне от 18 до 20390 единиц. Летом коэффициенты накопления общей радиоактивности растений были выше, чем осенью, в результате интенсивной вегетации в летний период; грунты дна во всех исследуемых водоемах имели коэффициенты накопления общей радиоактивности более 1000 единиц.

В этот период проводилось изучение содержания стронция-90 и цезия-137 в основных компонентах водных экосистем степной зоны Украины. Исследования проводились в водоемах, различающихся по гидрологическим, гидродинамическим и гидрохимическим характеристикам. Установлено, что коэффициент накопления (КН) стронция-90 у различных видов гидробионтов неодинаков и в значительной мере определяется их видовой принадлежностью. Значения КН стронция-90 формируют следующий ряд по убыванию: моллюски> ракообразные> водная растительность> рыбы. Наибольшие КН наблюдались среди моллюсков — у дрейссены бугской и речной; среди водных растений — у хары, рдеста пронзеннолистого, урути колосистой; среди рыб — у леща, тарани, белого амура, красноперки, карася. Также установлена зависимость степени накопления стронция-90 исследуемыми гидробионтами: у растений — от уровня их погруженности; у рыб — от пищевой специализации, от сезона года и содержания кальция в воде.

Исследования по накоплению, распределению и миграции цезия-137, поступающего при глобальных выпадениях в системе «вода–гидробионты–грунты», проводились в водоемах трех типов (водохранилище, залив, река) степной зоны Украины (Т.М.Антоненко). Выяснено, что общее содержание цезия-137 в исследуемых водоемах распределялось следующим образом: в воде — 2,0—4,1 %, в грунтах — 83—94 %, в водной растительности –2,3—14 %, в животных объектах — 0,3—1,3 %. Распределение по концентрациям, как правило, составляло следующий ряд: грунты> высшая водная растительность> водные животные> вода. Наибольшие концентрации цезия-137 отмечены среди грунтов — в черном иле; среди водной растительности — в рдесте и рогозе. Освещение повышало способность водной растительности концентрировать цезий-137 на 17–33 %. Обнаружена также определенная зависимость накопления радионуклидов этими объектами от степени антропогенной нагрузки на водоемы.

С 1976 года эстафету лидера и организатора радиоэкологических исследований в Днепропетровском университете принимает профессор Анатолий Дворецкий. Начинаются эксперименты по изучению механизмов систем трансмембранного переноса радионуклидов в клетках гидробионтов. Для этого изучалась локализация прочно связанного калия и цезия-137 в субклеточных фракциях биоконцентратора — рогоза, а также гидробионтов — щуки и моллюска дрейссены. Было установлено, что калий и цезий-137 локализируются в органеллах этих объектов таким образом: в растительных объектах — ядра> клеточные стенки> митохондрии (для цезия-137); ядра> клеточные стенки> митохондрии> хлоропласты (для калия); в животных объектах — ядра> митохондрии> рибосомы (для цезия -137); ядра> рибосомы> митохондрии (для калия).

Чернобыль вносит коррективы

Чернобыльская катастрофа грозно напомнила о необходимости глубокого и всестороннего исследования действия ионизирующей радиации на живые организмы. Днепропетровские радиобиологи включились в изучение последствий радиационного загрязнения в Приднепровском регионе, в первую очередь — состояния загрязнения водной среды.

Обстоятельный анализ «постчернобыльской ситуации» дал возможность установить, что наиболее высокие показатели содержания стронция-90 и цезия-137 в воде Днепровского водохранилища наблюдались в весенний период 1991 года, что связано с поступлением загрязненной воды из вышележащих водохранилищ днепровского каскада при затоплении поймы реки Припять. Сезонные изменения и пространственное распределение радионуклидов в воде Днепровского водохранилища в 1991 году характеризовались большей динамикой, в сравнении с 1992 годом. Высокие концентрации радионуклидов наблюдались в воде среднего и нижнего участков Днепровского водохранилища. Содержание стронция-90 в воде притоков Днепра — реках Орель, Самара, Кильчень было в 2,5—3,6 раза ниже, чем в воде самого Днепровского водохранилища. По сравнению с состоянием загрязнения воды в Днепровском водохранилище стронцием-90 в доаварийный период степень загрязнения в 1991–1994 годах увеличилась в 1,5—2 раза, но была ниже ПДК для питьевой воды в 60 раз. Содержание цезия-137 в 1991 году превышало доаварийный уровень в 16 раз, а в 1992—1993 гг. соответствовало доаварийному периоду. Распределение цезия-137 в донных отложениях Днепровского водохранилища колебалось в широких пределах; наибольшая активность этого опасного элемента отмечена в весенний период 1992 года в нижней части водохранилища, где почти отсутствовало течение и происходила мощная аккумуляция органических веществ.

Параллельно в постчернобыльский период проводились и другие актуальные исследования. В 1992–1995 годах совместно с НИИ сельхозрадиологии УААН велось изучение качества воды, используемой для орошения, определение содержания радионуклидов чернобыльского выброса в водах ирригационных водозаборов Днепровского, Днепродзержинского и Каховского водохранилищ. В это же время в содружестве с НИИ гидротехнической механики (г.Киев) изучались участки водохранилища, прилегающие к Запорожской АЭС. В результате отмечены зоны с несколько повышенной концентрацией радионуклидов в воде, грунтах, планктоне и растениях. В 1994—1996 годах вместе с учеными из НИИ гидробиологии НАНУ проводилось исследование радионуклидного загрязнения пресноводных водоемов Приднепровья.

В настоящее время для днепропетровских радиоэкологов во главе с профессором. Дворецким на первый план выступают исследования состояния радиационного загрязнения водных экосистем Приднепровья естественными техногенно-усиленными радионуклидами. Наиболее распространенными из них, и в то же время  оказывающими основную часть радиоактивного действия, являются радионуклиды уранового и ториевого радиоактивных семейств. Учитывая концентрацию добычи и переработки урановых руд в Днепропетровской области, что привело к накоплению в Днепродзержинске и Желтых Водах около 90 млн тонн радиоактивных отходов, содержащих уран, торий, свинец, полоний, радий и т.д., оценка состояния радиационного загрязнения водоемов Приднепровья становится чрезвычайно актуальной. Лишь в хвостохранилищах производственного объединения «Приднепровский химический завод» накоплено 42 млн тонн радиоактивных отходов. Загрязняется как земная поверхность ( хвостохранилища и отвалы породы), так и шахтные воды, которые после откачки из шахт попадают в водоемы. Пульпа, которая находится в хвостохранилищах, поступает с заводов по переработке урана вместе с водой, насыщенной различными радионуклидами. После фильтрации через дамбы хвостохранилищ вода попадает в грунтовые воды или стекает в ближайшие водоемы, загрязняя их радионуклидами и тяжелыми металлами. Шахтная вода, образующаяся при добыче урановых руд, также имеет в своем составе ряд радионуклидов. При попадании шахтных вод в водоемы они также загрязняются радионуклидами. В этой связи определение степени влияния уранодобывающих предприятий на состояние водоемов Приднепровского региона для днепропетровских радиоэкологов является очень важной задачей.

Об актуальности и социальной остроте этих вопросов свидетельствует и принятие на государственном уровне постановлений Кабинета Министров Украины: №656 от 5 мая 2003 г. «Об утверждении Программы радиационной и социальной защиты населения г.Желтые Воды на 2003—2012 годы» и №1846 от 26 ноября 2003 г. «Об утверждении Государственной программы приведения опасных объектов производственного объединения «Приднепровский химический завод» в экологически безопасное состояние и обеспечение защиты населения от вредного воздействия ионизирующего излучения».

В настоящее время усилия днепропетровских радиоэкологов направлены на изучение процессов радиационно-химической нагрузки на организм и исследования передачи этой нагрузки через воду и рыбу в организм человека. Широко развернуты модельные эксперименты по изучению действия естественных, техногенно усиленных радионуклидов на организм, при этом особое внимание уделяется изучению возможности передачи радионуклидов через воду и рыбу и их комплексного, совместно с другими загрязнителями, действия на физиолого-биохимические процессы в организме. Значительное внимание в этой работе уделяется поиску и изучению защитного действия препаратов от негативного воздействия на организм радиационно-химической нагрузки.

Несмотря на типичные для вузовской науки трудности, научная школа ДНУ «Пресноводная экология» продолжает успешно развиваться.