Ключевым элементом биосферы является вода. Круговорот воды происходит путем испарения ее с поверхности водоемов и суши в атмосферу, а затем переносится воздушными массами, конденсируется и выпадает и виде осадков.
Средняя продолжительность общего цикла обмена углерода, азота и воды, вовлеченных биологический круговорот – 300-400 лет. В соответствии с этой скоростью освобождаются минеральные соединения, связанные в биомассе. Освобождаются и минерализуются вещества гумуса почвы.
Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием, но это равновесие подвижно и динамично.
4. Основные направления развития современной атомной энергетики
АЭС следующего поколения должны отвечать двум основным требованиям: радикально повышать безопасность и одновременно сохранять достигнутый уровень экономичности ядерной энергетики.
В начале 60-х гг. в США была принята ориентация на то, что технологические процессы, связанные с получением атомной энергии, должны быть более безопасны, чем любая другая технология, а дополнительный риск от использования атомный энергии не должен превышать 0,1 % суммарного риска от всех других технологий и природных явлений. Само понятие безопасности носит несколько абстрактный характер и зависит от времени. В разные периоды развития общества одни и те же технологические процессы считались то совершенно безопасными, то потенциально опасными.
Если общественное мнение до Чернобыля было настроено на понятие о полной безопасности ядерной энергетики, то сейчас наоборот, понятие об опасности ядерной энергетики сильно преувеличено.
Безопасный реактор сегодняшнего дня – это реактор традиционного типа, усовершенствование которого было направлено на снижение вероятности больших аварий путем наращивания инженерных систем и усиления требований к оборудованию и обслуживающему персоналу.
Большинство широкоиспользуемых сейчас типов ядерных реакторов не смогут стать основой ядерной энергетики XXI века. Первое требование к реакторам нового поколения – это полное исключение аварий с опасными выбросами радиоактивности. Для перехода на этот новый уровень безопасности в современных реакторах нового поколения все больше используется элементы внутренне присущей безопасности, основанной на использовании естественных законов природы. Привлекательность использования естественных законов в концепции безопасности – постоянство их действия, независимость от внешних факторов.
Низкая вероятность аварии гарантируется особыми свойствами топлива, теплоносителя, материалов и всей конструкции реактора в целом. Такие свойства должны обеспечивать саморегулирование интенсивности цепной реакции при любых изменениях в активной зоне, безопасной отвод тепла.
Внутренняя устойчивость базируется на отрицательной обратной связи по температуре и по мощности и применении пассивных (не требует подвода энергии и управления извне) систем теплоотвода и остановки реактора. В основу функционирования пассивных систем положены законы, описывающие такие физические явления, как гравитация, естественная циркуляция, испарение.
Реактор, построенный на этих принципах, можно называть самозащищенным.
Самозащищенность делает реактор нового поколения принципиально отличным от Чернобыльского, поскольку одной из основных причин Чернобыльской аварии была положительная обратная связь по мощности, в результате чего реактор в аварии саморазгонялся. То есть физические свойства Чернобыльского реактора усугубили ошибки операторов, что привело к тяжелейшим последствиям. После Чернобыльской аварии на АЭС с реакторами РБМК был осуществлен ряд мероприятий, позволявших уменьшить негативное влияние недостатков конструкции реактора и повысить уровень безопасности его эксплуатации.
В водо-водяном реакторе при повышении мощности, температуры или появлении пара количество замедлителя в зоне реакции сокращается, происходит самоглушение реактора. Мощность находится под самоконтролем. При увеличении мощности в таком реакторе происходит увеличение температуры и рост мощности останавливается без всякого вмешательство персонала. При появлении пара происходит самоглушение реактора. Реактор может быть сравним с тяжелой вагонеткой, которую бесплодно пытаются разогнать в гору.
Концепция внутренней самозащищенности означает, что в случае многочисленных отказов оборудования и ошибок персонала реактор полностью предоставленный самому себе, за счет присущих ему внутренних свойств препятствует, ограничивает или полностью прекращает развитие аварии. Теплоотвод от активной зоны в нормальных и аварийных условиях обеспечен самоциркуляцией теплоносителя в реакторе, которая ни при каких условиях не прекращается.
Главное направление усовершенствований безопасности атомных станций нового поколения –развития защиты в глубину. Концепция защиты в глубину предполагает использование нескольких последовательных уровней защиты, включающих независимые физические барьеры для предотвращения выхода радиоактивных продуктов в окружающую среду.
Принцип многобарьерности защиты, реализованный в водо-водяных реакторах прежних поколений, показал ее высокую эффективность. Пример тому авария на американской АЭС «Три-Майкл-Айленд», где, несмотря на разрушение нескольких защитных барьеров и расплавление топлива, благодаря оставшимся защитным барьерам радиационные последствия аварии были вдвое меньше уровня естественного фона.
Принцип внутренней самозащищенности реакторной установки и пассивные системы безопасности впервые в мире реализованы на практике в реакторах атомной станции теплоснабжения АСТ-500.
Дальнейшее развитие философии безопасности АСТ-500 нашло свое отражение в реакторной установке для атомных электрических станций нового поколения ВПБЭР-600, в установках для комбинированной выработки низкопотенциального тепа и электрической энергии АТЭЦ-150, АТЭЦ-200, ВК-300, ВК-400, а также в ряде других проектов.
5. Загрязнение городских территорий
Экологические проблемы городов, главным образом наиболее крупных из них, связаны с чрезмерной концентрацией на сравнительно небольших территориях населения, транспорта и промышленных предприятий, с образованием антропогенных ландшафтов, очень далеких от состояния экологического равновесия.
Темпы роста населения мира в 1.5-2.0 раза ниже роста городского населения, к которому сегодня относится 40% людей планеты. За период 1939 – 1979 гг. население крупных городов выросло в 4, в средних – в 3 и малых – в 2 раза.
Социально-экономическая обстановка привела к неуправляемости процесса урбанизации во многих странах. Процент городского населения в отдельных странах равен: Аргентина – 83, Уругвай – 82, Австралия – 75, США – 80, Япония – 76, Германия – 90, Швеция – 83. Помимо крупных городов-миллионеров быстро растут городские агломерации или слившиеся города. Таковы Вашингтон-Бостон и Лос-Анжелес-Сан-Франциско в США; города Рура в Германии; Москва, Донбасс и Кузбасс в СНГ.
Круговорот вещества и энергии в городах значительно превосходит таковой в сельской местности. Средняя плотность естественного потока энергии Земли – 180 Вт/м2, доля антропогенной энергии в нем – 0.1 Вт/м2. В городах она возрастает до 30-40 и даже до 150 Вт/м2 (Манхэттен).
Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. При этом 60-70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт. Более активная конденсация влаги приводит к увеличению осадков на 5-10%. Самоочищению атмосферы препятствует снижение на 10-20% солнечной радиации и скорости ветра.
При малой подвижности воздуха тепловые аномалии над городом охватывают слои атмосферы в 250-400 м, а контрасты температуры могут достигать 5-6°С. С ними связаны температурные инверсии, приводящие к повышенному загрязнению, туманам и смогу.
Города потребляют в 10 и более раз больше воды в расчете на 1 человека, чем сельские районы, а загрязнение водоемов достигает катастрофических размеров. Объемы сточных вод достигают 1м2 в сутки на одного человека. Поэтому практически все крупные города испытывают дефицит водных ресурсов и многие из них получают воду из удаленных источников.
Водоносные горизонты под городами сильно истощены в результате непрерывных откачек скважинами и колодцами, а кроме того загрязнены на значительную глубину.
Коренному преобразованию подвергается и почвенный покров городских территорий. На больших площадях, под магистралями и кварталами, он физически уничтожается, а в зонах рекреаций – парки, скверы, дворы – сильно уничтожается, загрязняется бытовыми отходами, вредными веществами из атмосферы, обогащается тяжелыми металлами, обнаженность почв способствует водной и ветровой эрозии.
Растительный покров городов обычно практически полностью представлен “культурными насаждениями” – парками, скверами, газонами, цветниками, аллеями. Структура антропогенных фитоценозов не соответствует зональным и региональным типам естественной растительности. Поэтому развитие зеленых насаждений городов протекает в искусственных условиях, постоянно поддерживается человеком. Многолетние растения в городах развиваются в условиях сильного угнетения.
В настоящее время остаются актуальными вопросы влияния на здоровье населения и окружающую природную среду электромагнитных излучений (ЭМИ). Наиболее мощными источниками ЭМИ являются теле- и радиостанции, радиолокационные установки, линии электропередач сверх- и ультравысокого напряжения.