За всем сказанным вовсе не скрывается намерение показать, что атомная энергия совершенно безопасна и безвредна. Как и любой вид энергии, этот также имеет свои отрицательные стороны. Важно лишь принять нужные меры защиты.
С точки зрения ученых, действительная специфика опасности атомной энергетики в ее излучениях, и они сильнее каких-либо других явлений вызывают генетические изменения в организме. Правда, эти изменения могут быть и следствием действия некоторых химических веществ и других излучений. Небезопасны, скажем, и рентгеновские лучи. Однако отрицательный эффект от воздействия ядерного излучения может быть большим.
Есть и другая особенность: часть отходов, неизбежных при производстве ядерной энергии, остается опасной иногда на протяжении нескольких тысяч лет.
Исправлю не совсем верное утверждение, сделанное мною выше о том, что для человека радиация - явление совершенно новое и непривычное. На самом деле с момента своего возникновения человечество жило, правда, не зная об этом, в потоках разнообразных лучей. Более 80 лет назад были открыты излучения ядер и началось их изучение. Но, конечно, 80 лет - малый срок для того, чтобы человечество привыкло к ним. К тому же 80 лет назад об этом знали одни лишь ученые. Подавляющее число людей заинтересовалось излучениями совсем недавно, вслед за появлением ядерного оружия и атомной энергии.
Первым ученым, "увидевшим" необыкновенные лучи, еще неизвестные науке, был немецкий физик К. Рентген.
В 1896 году весь научный мир был взбудоражен его открытием. Лучи свободно проходили через непрозрачные предметы. Этим явлением тотчас воспользовались медики. По сей день врачи ставят диагноз, направляя пучок рентгеновских лучей на человеческий организм. Исследователей же в первую очередь интересовала природа излучения. Надо было узнать, что они собой представляют и откуда берутся?
Наряду с исследованиями велся поиск излучающих веществ. В том же году французский ученый А. Беккерель, изучая те вещества, в состав которых входил уран, обнаружил, что они также источники какого-то излучения, проникающего сквозь непрозрачные тела. За открытием А. Беккереля последовали обширные исследования супругов Кюри.
Но вот что выглядело загадочным: излучение урана, делающее воздух электропроводным и зачерняющее эмульсию фотопластинок, невозможно было изменить никаким воздействием. Мария Кюри нагревала и охлаждала его соли, держала их в темноте, направляла на них пучки света. И никакого влияния. Вне зависимости от физического состояния урана, находился или не находился он в магнитном поле, излучение сохраняло прежнюю величину. Значит, шло оно из глубины элемента - из атома. Это новое свойство Мария Кюри предложила назвать радиоактивностью, исходя из латинского слова "радиус" - луч.
Явление радиоактивности, представляющее собой своего рода извержение, было первым сигналом о том, что внутри ядра есть энергия.
Последующие исследования вскрыли природу радиоактивного излучения и позволили определить его состав.
В него входят альфа-лучи, представляющие собой ядра гелия; затем бета-лучи - это электроны; и, наконец, гамма-лучи - это электромагнитное излучение. С электромагнитным излучением мы встречаемся постоянно.
Радиоволны, тепловое излучение, свет, лучи Рентгена, гамма-излучение все это электромагнитное излучение, отличающееся только длиной волны.
Электромагнитное излучение распространяется подобно волнам на воде. Расстояние между двумя близлежащими гребешками называют длиной волны. У радиоволн длина волны лежит примерно в интервале от 10 сантиметров до нескольких десятков километров. Человек их не видит и не ощущает. Но вот волны становятся короче, скажем, их длина уменьшается до одного миллиметра. И они уже ощутимы, ибо человека греет тепло, волнами идущее от солнца и батарей отопления. Если длина волны еще короче - это уже область видимого светового излучения. При длине волны Ю-7-Ю-9 сантиметра излучение носит название рентгеновского. Его человек также не видит и не ощущает. Невидимы и неощутимы и самые короткие волны около 10^-11 сантиметра. Это уже гамма-лучи.
Стоит напомнить еще об одном известном факте - о прерывистости потока излучения, о квантовании лучистой энергии. По мере изучения радиоактивности становилось очевидным, что она имеет прерывистый характер и состоит как бы из порций, из пакетов волн электромагнитного излучения. Становилось ясно, что и энергия излучения передается только небольшими порциями, которые назвали квантами. Величина квантов, то- есть количество содержащейся в них энергии, зависит от длины составляющей их волны. Чем она короче, тем больше энергии в кванте.
По-видимому, первейшими исследованиями, посвященными действию рентгеновского облучения на живые организмы, была работа русского академика И. Тарханова. Статья, опубликованная в 1896 году "В известиях Санкт-Петербургской биологической лаборатории", называлась "Опыт под действием рентгеновых Х-лучей на животный организм". Выходит, прошло лишь несколько месяцев после того, как К. Рентген впервые сообщил о своем открытии, а И. Тарханов за это время уже обнаружил, что у облученных лягушек изменяются некоторые физиологические реакции.
Наступил период, когда сами исследователи убедились во вредном действии рентгеновского излучения.
Очень многие пионеры исследования рентгеновских лучей и излучения радиоактивных ядер стали жертвами науки. Одни из них заболевали, а другие погибали.
В 1936 году в Гамбурге был установлен обелиск в память ученых, погибших при исследованиях неизвестных лучей. В момент открытия памятника на нем уже были высечены имена ста десяти ученых.
Долгое время люди не могли понять, чем вызвано губительное действие радиации. "Что тут непонятного? - удивленно воскликнет современный читатель.-Все знают, что энергия рентгеновских и гамма-лучей-наивысшая".
Все это так, но тут есть некоторые тонкости, с которыми полезно ознакомиться. Да, энергия квантов такого излучения максимальна, но даже смертельная доза в тысячу рентген (рентген - единица измерения радиации), принятая организмом, вызовет повышение его температуры лишь на три тысячные градуса, так как это только 20 калорий тепла. Под солнечными лучами мы получаем то же самое за полсекунды-секунду. А ведь многие из нас, хотя это не так уж безопасно для здоровья, лежат на пляже часами. Чаще всего с нами ничего особенного не случается. В чем же тут дело?
В разнице между видами лучей. Световые лучи и радиоволны не могут ионизировать атом - оторвать от него электрон. Для этого недостаточно той порции энергии, которую несут их кванты. А квантов гамма-излучения хватает. Они ионизируют элементы, из которых состоит наш организм. А ионизированное вещество весьма неустойчиво, его атомы легко вступают в химические реакции. Это приводит к изменению химического состава вещества нашего живого организма.
Такое же действие могут оказать и нейтроны. В организме при облучении потоками этих частиц также могут возникнуть необратимые изменения. Правда, сами нейтроны не могут ионизировать атомы. Но они могут поглотиться атомом водорода, в ядре его возникает избыточная энергия, которая и высвечивается в виде гамма-излучения, обладающего не только высокой энергией, но и большой ионизирующей способностью.
Все это так. Однако мы еще не пришли к объяснению биологического эффекта. -Ведь и такого воздействия излучения, при котором возникает ионизация атомов, для него еще недостаточно. Представим себе, что при указанном выше облучении из строя будет выведено несколько молекул белков. Исследования покажут, что это настолько незначительное количество, что такая потеря никак не может привести к тяжелым нарушениям в организме. Клетка не станет смертельно поврежденной, если окажется пораженной молекула воды, какой-либо соли или фермент. Ну исчезнет одна-другая молекула из многих тысяч, что из этого? Другое дело, если будут выведены из строя гены, ответственные за наследственные свойства клетки. Последствием их гибели окажутся мутации - изменения наследственной информации, возникающие под воздействием радиации.
Распространено мнение, что наследственная информация - это передача признаков и свойств от родителей к детям. На самом деле это и передача сведений от одних клеток к другим. Хотя они делятся и гибнут, их свойства наследуются другими клетками. Если нарушить этот механизм передачи информации, то клетки перестанут обновляться. Бывает и так, что начинают нарождаться и размножаться другие клетки, неполноценные, функционирующие не так, как нужно.
Нарушение наследственной информации во многих клетках при воздействии радиации и есть причина некоторых болезней. Правда, не надо думать, что нарушение наследственной информации вызывается только ядерным излучением, в чем до недавнего времени были убеждены многие. Наследственные изменения могут вызываться и химическими веществами. Открыт целый ряд лекарственных препаратов, усиливающих или ослабляющих воздействие излучения на клетки. Одни из них помогают излучению разрушать ненормальные, больные клетки, другие восстанавливают их жизнеспособность.
Восстанавливать клетки - это понятно. Но зачем разрушать? Оказывается, при лечении некоторых раковых опухолей такие препараты как бы помогают организму избавляться от клеток, ставших вредными, концентрируют на них усилия излучения.
Уничтожение раковых опухолей не единственное полезное применение проникающей радиации. Искусственные мутации, например, позволяют во много раз ускорить селекционную работу по созданию новых высокопроизводительных сортов растений и пород животных.
Упрочение материалов, создание температуростойких веществ, использование в различных измерительных системах промышленности, стерилизация медикаментов и продуктов питания, атомные батареи для космических спутников - все это показывает, что излучение проникает буквально во все области нашей жизни: в медицину, в сельское хозяйство, промышленность и науку.
Никто сейчас не станет отрицать пользу излучений.
Нужно только научиться держать их в узде, научиться правильно управлять этой энергией, применять надежную защиту.
Пять барьеров
Атомная энергетика - это не только атомные электростанции, но и комплекс предприятий, потребных для обеспечения их топливом. Это рудники, где добывают урановую руду; заводы по ее переработке и выделению окислов урана; предприятия, в которых разделяют изотопы урана и изготовляют тепловыделяющие элементы. После того как тепловыделяющие элементы с ураном отработают на атомной электростанции положенное время, их транспортируют на завод, где из этого отработанного горючего выделяют осколки деления и невыгоревшее топливо. Этот цикл завершает захоронение отходов - осколков деления и других радиоактивных элементов.
На всех перечисленных этапах, хотя речь идет всего лишь о топливном цикле, также предусматривается защита людей от излучения. Его носители вездесущие радиоактивные элементы. Их можно встретить в воздухе, в шахтах, где добывают уран, в воде; они содержатся в различных растворах, используемых в технологических процессах. Но, где бы с ними ни столкнулся человек, всюду его ограждает надежная защита.
Лучше всего познакомиться с нею на-примере атомной электростанции, где мощность излучения наибольшая. Там она предусмотрена непосредственно у самого источника излучения - тепловыделяющих элементов, внешне представляющих собой, как мы говорили раньше, таблетки из двуокиси урана. Они помещены в герметичные трубочки из циркония, поэтому радиоактивные продукты, образующиеся при делении, никак не могут попасть в воду первого контура, охлаждающую активную зону реактора. Таков первый барьер, стоящий на пути излучения.
За ним следует второй. Дело в том, что у части тепловыделяющих элементов все же может отказать герметичность. В таком случае радиоактивные элементы попадут, правда, в небольшом количестве, в воду. Кроме того, в ней содержатся еще радиоактивные продукты коррозии, А с течением времени накапливаются еще и вещества, образовавшиеся в результате химических реакций водорода и кислорода с материалами, из которых сделан первый контур. Попадая вместе с водой .в активную зону, они облучаются нейтронами и превращаются в различные радиоактивные элементы. Так же при облучении нейтронами может активироваться и кислород воды. На пути этой радиоактивности в первом контуре реактора и предусматривается второй барьер - специальный фильтр, постепенно пропускающий через себя всю воду.
Он резко, но не до конца уменьшает количество содержащихся в ней радиоактивных продуктов. Чтобы свести их к минимуму, контур делают совершенно герметичным. Ни одна капля циркулирующей в нем воды не должна проникнуть в помещения с людьми. Это и есть третий барьер.
Если иметь в виду, что давление воды в первом контуре достигает 160 атмосфер и что при этих условиях необходимо приводить во вращение насосы и перемещать стержни, управляющие в активной зоне цепной реакцией, то станет ясно, насколько трудна задача создания полной герметизации.
Сложность представляют насосы, обычно соединенные с электромоторами, которые нельзя погрузить в воду, да еще горячую, ибо нарушится изоляция проводников. Если же поместить насосы внутри, а электромотор вне контура, то связывающий их вал должен будет пройти через стенку первого контура. А при высоком давлении невозможно уплотнить место выхода вала так, чтобы полностью исключить утечку воды и содержащихся в ней газов радиоактивных веществ. Все же инженеры и конструкторы нашли решение. В первый контур вошел не весь электромотор, а только его ротор вместе с валом и подшипниками. Неподвижная же часть электромотора - статор, где находятся проводники, по которым течет ток, остался снаружи. А часть стенки контура, находящуюся под статором, сделали из тонкого нихрома, не представляющего большого препятствия для электромагнитного поля, которое обеспечивает вращение ротора.
Теперь, после принятых мер, радиоактивность, содержащаяся в воде, не будет опасна, так как она не может выйти из контура, и тем не менее на пути воды поставлен еще один - четвертый - барьер. Для этого все оборудование первого контура - реактор, парогенераторы, насосы, трубопроводы, фильтры и т. д. -помещено в герметичные боксы, и даже воздух оттуда не может попадать в помещения, где работают люди. Иногда проектировщики станции размещают оборудование не по отдельным боксам, а окружают его одной большой герметичной железобетонной оболочкой. Специальная служба регистрации ведет непрерывное наблюдение за уровнем излучений вблизи первого контура и в соседних помещениях, где находятся люди. Во всех наиболее опасных местах имеются счетчики гамма-излучения, электронов и нейтронов. Их сигналы позволяют быстро принимать меры к уменьшению активности излучений.
Для этого включают резервные фильтры и отключают парогенераторы, а то и останавливают реактор.
Все же в помещениях, где работают люди, могут в первую очередь появиться газообразные радиоактивные вещества. Это может произойти из-за протечек через уплотнения различных коммуникаций, связывающих герметичную оболочку с другими помещениями станции, иногда радиоактивность появляется по другим разным причинам. Чтобы не допустить ее накапливания, действует непрерывная вентиляция. Аппараты выбрасывают воздух в трубу, высота которой в зависимости от мощности станции достигает 100-200 метров. Это дополнительно уменьшает облучение персонала.
Пока что речь шла о защите работников станции.
Но вот воздух выбрасывается наружу, и радиоактивные элементы, содержащиеся в нем, выпускаются на волю.
Теперь они могут переноситься ветрами за многие сотни километров. Конечно, чем они окажутся дальше от станции, тем ниже будет их концентрация потому, что они сильно разбавятся атмосферой. Если ими и будет облучено население, то в такой слабой степени, что никак не отзовется на здоровье людей.
Мы уже говорили, что любая производственная и другая деятельность человека приносит то неощутимый, а то и заметный вред. В худшем, если можно так выразиться, положении находятся профессиональные работники, обслуживающие атомную станцию. Никуда не деться от того, что они получают существенно большую дозу облучения, чем окружающее население.
Но ведь то же самое имеет место и во многих других отраслях народного хозяйства. Скажем, шахтеры, металлурги, операторы некоторых химических производств, медики-рентгенологи тоже постоянно подвергаются различным вредным воздействиям. Однако то, что допустимо для профессиональных работников вредных производств, не может быть принято для всего остального населения. Ведь профессиональные работники находятся под специальным медицинским контролем, имеют укороченный рабочий день, дополнительные отпуска, особое питание и другие льготы.
Допустимые уровни излучений для работников АЭС, выбранные на основе тщательного изучения степени воздействия их на человека, обеспечиваются описанными четырьмя барьерами защиты. Нужно отметить, что эти барьеры служат эффективным средством защиты не только при нормальной работе атомной установки, но и в случае возникновения различных аварийных ситуаций. Чтобы опасность выброса радиоактивности свести на нет, на пути ее распространения поставлен еще один - пятый - барьер. В чем он выражается?
Если уровень радиоактивности воздуха, направляемого в вентиляционную трубу, превышает допустимый, его пропускают через дополнительные фильтры или выдерживают в специальных газгольдерах. Перечисленные меры являются надежной защитой для всего населения страны.
До сих пор речь шла о защите от вредных излучений, обусловленных радиоактивными элементами, образующимися при делении и затем распространяющимися по атомной станции и вне ее Наиболее мощная часть этого излучения - это нейтроны и гамма-кванты, которые освобождаются непосредственно в процессе деления. Потоки этих частиц колосса тъны. С одного квадратного сантиметра поверхности активной зоны мощного реактора каждую секунду вылетает 20 триллионов нейтронов и около 10 триллионов гамма-квантов. Их проникающая способность настолько велика, что прочные стенки первого контура не могут их сдержать. Нейтроны, вылетая из активной зоны, обладают самыми различными энергиями1 среди них есть как тепловые (медленные), так и быстрые. С тепловыми бороться довольно легко: достаточно поставить на их пути слой вещества с большим сечением поглощения, и эта преграда для них непреодолима. А как быть с быстрыми? Ведь в любых материалах ядерные сечения поглощения для таких нейтронов малы. Значит, нужно быстрые нейтроны сделать тепловыми и затем уже защищаться от них. Лучше всего нейтроны замедляются элементами с малым массовым числом. Поэтому на пути этих частиц размещают воду, графит, бетон - вещества, содержащие большое количество легких атомов.