11.4. Решение проблем утилизации

Утилизация экологически опасных газов

В последнее время многие люди все более осознает себя населением одной коммунальной квартиры с общей легкоранимой атмосферой. Если и впредь выбрасывать в нее окиси азота и серы, окись и двуокись углерода, то можно ожидать самых печальных последствий. Известно, что увеличение углекислоты в атмосфере создает парниковый эффект с угрозой таяния ледников. И если общее количество льда уменьшится только на 10%, то уровень мирового океана поднимется на 5,5 м. Очевидно, что огромные прибрежные площади будут затоплены,

В атмосфере Земли сейчас содержится около 2,3 млрд т двуокиси углерода, и миллиарды тонн прибавляют к этому количеству промышленность и транспорт. Часть этого количества поглощается растительностью Земли, часть растворяется в океане. Ученые многих стран мира работают над тем, как избавиться от лишнего углекислого газа. Например, ученые США предлагали переводить углекислый газ в сухой лед или жидкость, а затем выводить его ракетами за пределы атмосферы. Однако расчеты показывают, что для вывода на орбиту углекислого газа необходимо сжечь столько топлива, что количество того же газа, выброшенного при сгорании топлива превосходит количество отправленного в космос газа.

Швейцарские специалисты предлагают переводить выбросы промышленных «кочегарок» в сухой лед, но не выбрасывать его за пределы Земли, а складывать где-нибудь на севере в хранилища, изолированные пенопластом. Сухой лед будет медленно испаряться, что позволит хотя бы отсрочить развитие парникового эффекта. Однако для хранения лишь половины углекислого газа, выбрасываемого ежегодно только Германией, пришлось бы сделать из сухого льда десять шаров диаметром по 400 м. Другие ученые надеются как-то усилить естественные процессы, ведущие к поглощению двуокиси углерода из атмосферы. Например, расширить на планете площади, занятые лесом. Однако для поглощения выбросов только угольных ТЭЦ Германии придется засадить лесом 36 тыс. км². Против идеи американских океанологов рассеивать в антарктической воде порошок железа для стимуляции размножения планктонных водорослей, которые могли бы поглощать больше двуокиси углерода, возражают экологи. К тому же опыты, проведенные в малом масштабе, показали невысокую эффективность данного способа. Японцы предлагают вывести с помощью генной инженерии особо активные породы водорослей, которые активно поглощали бы углекислый газ, превращая его в биомассу. Однако моря при этом могут превратятся в «кисель» из размножившихся водорослей.

Более практичной выглядит идея сотрудников нефтяной фирмы «Шелл»: закачивать углекислый газ, переведя его сначала в жидкую фазу, в выработанные нефтяные и газоносные пласты. Вдобавок жидкая углекислота вытеснит на поверхность недобранные остатки нефти и природного газа. Правда, стоимость электроэнергии от ТЭЦ, снабженной необходимым для этого оборудованием, вырастет на 40%, а прибыль от дополнительно добытых горючих ископаемых снизит эту цену всего на 2%. Да в мире и нет пока достаточно обширных для такого хранения выработанных месторождений газа. Свободное место в Тюмени или Голландии появится лишь через несколько десятков лет.

Пока наиболее многообещающей кажется идея отправлять двуокись углерода на дно морей и океанов. Можно, например, топить в открытом море блоки сухого льда (он тяжелее воды). При перевозке в море не дальше 200 км от берега стоимость электроэнергии повысится на те же 40%. Если же закачивать на глубину около 3000 м жидкую углекислоту, цена электроэнергии возрастет меньше – на 35%. Кроме того, есть и опасность таких мер. Ведь газ покроет удушающим слоем сотни квадратных километров океанского дна, уничтожив там все живое. И не исключено, что под воздействием глубинных течений он в конце концов вырвется из морских глубин, как из откупоренной бутылки шампанского. В 1986 г. такой случай наблюдался в Камеруне: из глубин озера Ниос вырвалось около миллиарда кубометров углекислого газа, накопившегося на дне в результате вулканических процессов. В окружающей озеро долине погибли сотни местных жителей и их скот. Кажется, у человечества нет другого выхода, кроме ограничения сжигаемого ископаемого топлива.

Вместе с углекислым газом в атмосферу выбрасываются гораздо более опасные газы – окислы серы. Известно, что окислы серы образуются при сгорании топлива – угля или нефтепродуктов, содержащих серу. При их сжигании образуются сернистые газы, загрязняющие атмосферу. При очистке дым пропускается через громоздкие и дорогостоящие очистные устройства. Специалисты Японии предложили более эффективный способ – микробиологический способ очистки угля от серы.

Утилизация бытовых отходов

В последние десятилетия, как никогда, люди стали обращать внимание на окружающую среду. Заговорили о ней в тревожных тонах, потому что в атмосфере, почве, во всем, что произрастает и обитает на ней и в ней, а также в водной среде (реках, озерах и морях), – везде все заметнее и резче стали проявляться прежде не наблюдаемые отклонения. Все чаще стали говорить о том, что окружающая среда оказалась на грани катастрофы и ее надо срочно спасать.

Хорошо оснащенный различной техникой и другими средствами человек непосредственно воздействует на природу: в невиданных ранее количествах добывает и использует, перерабатывает земные богатства. С каждым годом все ощутимее вмешивается в естественно сложившуюся тысячелетиями природную среду. При этом природа неузнаваемо изменяется. Такой процесс уже распространился почти на весь земной шар.

Во многих промышленно развитых странах уже всерьез на практике широко принимают меры против загрязнения окружающей среды и добиваются отличных результатов. Рассмотрим более подробно, как решаются экологические проблемы, например, в Рейнско-Вестфальском промышленном районе Германии. Не так давно этот район считался одним из самых неблагополучных в экологическом отношении не только во всей Западной Европе, но и в мире. Действительно, здесь, севернее и западнее Рейнских сланцевых гор, в последнее столетие чрезвычайно бурно развивались промышленность, транспорт, быстро росли города и рабочие поселки. Столь обильно застроенных и так густо населенных мест, наверное, нет даже в самых многолюдных районах Японии и Китая. Уровень жизни в Германии весьма высок уже не одно десятилетие. Поэтому очень многие имеют свои дома и почти у каждого дома – небольшой участок под садом, огородом и цветником, хозяйственные постройки, гаражи и автомашины. Можно представить, сколько бытового и разного другого мусора здесь изо дня в день, из года в год выбрасывали на свалки, а потом сжигали прямо в поле. А сколько здесь было захлебывающихся дымом труб – заводских, фабричных, домовых! Какая пелена смога висела над городами, какой туман постоянно окутывал все! Каким фиолетово-масляным блеском отливало солнце в водах Рура, Рейна и других, казалось, безнадежно больных здешних рек! Они уже были своего рода символами загрязнения природы человеком.

«Три десятка лет назад небо тут у нас было больше похоже на лохматое грязное одеяло, чем на лазурь», – говорит один из специалистов по переработке отходов. Что же представляет собой их предприятие по переработке отходов? Голубовато-серо-синие здания, две белые высокие тонкие трубы – все выглядит удивительно легким и нарядным. И земля, и небо над ней, и вообще все вокруг здесь действительно изменилось до неузнаваемости. Даже асфальт и бетон на подъездных путях кажутся голубыми. Кругом зеленые газоны, молодые деревца. Это предприятие – Центр вторичной добычи сырья в Хертене – занимает гораздо меньшую площадь, чем обычная горящая свалка. Оно построено на пустыре, в его цехах уже много сделано для того, чтобы преобразовать, озеленить, украсить окрестности.

В Германии в среднем на одного жителя за год накапливается до 400 кг только бытовых отходов. Еще большую долю из того, что приходится сжигать, составляют отходы производств – промышленных, промысловых, ремесленных и прочих, а также торговли, сфер питания и услуг, транспорта лечебных учреждений. В немалом количестве образуется и так называемый городской мусор. Все это вместе в расчете на одного человека в Германии за год составляет до 4,5-4,6 т.

В мусорном «крематории» непросто сжигают самые разные отходы. Здесь же налажено и производство вторичных продуктов. Ведь предприятие так и называется: Центр вторичной добычи сырья в Хертене. Зола, образующаяся из сожженных пластмассовых пакетов и разной тары подобного рода, снова идет на их изготовление. В огромных «мешках» собираются «остаточные инертные продукты». За сутки их набирают до 10 т и сразу же увозят на «гору», где используют в качестве грунта для зеленых насаждении. Например, в Гельзенкирхене из них уже более четверти века складывают «гору». Она занимает около 100 га. В прошлом унылый обширный пустырь превращается в культурный парк, в «зеленую зону». Постепенно, день за днем, формируется, «выкладывается» почвенная и подпочвенная среда «торы», развивается на ней зеленый мир. Разрабатываются новые технологические проекты переработки отходов вторичной добычи сырья.

Неизбежно предстоит строить предприятия вторичной добычи сырья и под Москвой, и под Санкт-Петербургом, и вблизи других городов. К тому же подобные предприятия дают немало электрической энергии.

Захоронение ядерных отходов

Жизнь современного общества немыслима без мощных источников энергии. Их немного – гидро-, тепловые и атомные электростанции. Использование энергии ветра, Солнца, приливов и т.п. пока не получило широкого распространения. Тепловые станции выбрасывают в воздух громадное количество пыли и газов. В них содержатся и радионуклиды, и сера, которая потом возвращается на землю в виде кислотных осадков. Гидроресурсы даже в нашей огромной стране ограничены, и к тому же строительство гидростанций в большинстве случаев приводит к нежелательному изменению ландшафта и климата. В ближайшее время одним из основных источников энергии будут атомные электростанции. Они отличаются многими достоинствами, в том числе и экологическими, а применение надежной защиты может сделать их достаточно безопасными. Но остается еще один важный вопрос: что делать с радиоактивными отходами? Все радиоактивные отходы АЭС, скопившиеся за все время их работы, хранятся в основном на территории станций. В целом действующая на АЭС схема обращения с отходами пока обеспечивает полную безопасность, не оказывает влияния на окружающую среду и соответствует требованиям МАГАТЭ. Однако хранилища уже переполняются, требуются их расширение и реконструкция. Кроме того, приходит пора демонтировать станции, отслужившие свой срок. Расчетное время эксплуатации отечественных реакторов – 30 лет. С 2000 г. реакторы будут останавливаться практически ежегодно. И пока не будет найден простой и дешевый способ захоронения радиоактивных отходов, говорить о серьезных перспективах атомной энергетики преждевременно.

В настоящее время радиоактивные отходы содержатся в специальных хранилищах, где размещаются стальные контейнеры, в которых отходы сплавлены вместе со стекло-минеральной матрицей. Захоронение их пока не производится, но проекты захоронения активно разрабатываются. Иногда обсуждается вопрос: а нужно ли вообще захоранивать отходы, может быть, следует так и хранить их далее – ведь не исключено, что какой-нибудь изотоп понадобится технологии будущего? Дело, однако, в том, что количество отходов постоянно растет, накапливается, так что и в будущем этот источник полезных элементов вряд ли иссякнет. При необходимости просто будет изменена технология переработки. Проблема в другом. Приповерхностные хранилища гарантируют безопасность только в течение примерно ста лет, а отходы станут малоактивны лишь через несколько миллионов лет.

Еще один вопрос. Можно ли использовать тепловую энергию, которую выделяют ядерные отходы, например для отопления? Можно, но нерационально. С одной стороны, тепловыделение отходов не так уж велико, намного меньше выделяемого в реакторе тепла. С другой стороны, использование отходов для отопления потребовало бы очень дорогого обеспечения радиационной безопасности. В тепловой энергетике ситуация аналогична: есть много способов полнее использовать тепло, уходящее в дымовую трубу, но с какого-то уровня это невыгодно. Поэтому от ядерных отходов надо избавляться.

Обсуждается известная идея переработать долгоживущие радиоактивные изотопы в ядра с меньшим временем жизни с помощью ядерных реакций, протекающих в самих реакторах, при эксплуатации их в особом режиме. Казалось бы, чего проще, и никакого дополнительного оборудования не нужно. К сожалению, различие скоростей наработки новых и переработки уже образовавшихся долгоживущих изотопов невелико, и, как показывают расчеты, положительный баланс наступит лишь примерно через 500 лет. До этого времени человечество «утонет» в горах радиоактивных отходов. Другими словами, сами себя реакторы излечить от радиоактивности вряд ли смогут.

Радиоактивные шлаки можно изолировать в специальных толстостенных могильниках. Беда только в том, что такие захоронения должны быть рассчитаны по крайней мере на сотню тысяч лет безопасного хранения. А как предугадать, что может случиться за такой огромный период? Как бы там ни было, хранилища отработанного ядерного топлива должны располагаться в таких местах, где заведомо исключаются землетрясения, смещения или разломы грунтовых пластов и т. п. Кроме того, поскольку радиоактивный распад сопровождается разогревом распадающегося вещества, спрятанные в могильнике шлаки нужно еще и охлаждать. При неправильном режиме хранения может произойти перегрев и даже взрыв горячих шлаков.

В некоторых странах хранилища особо опасных в шлаков долгоживущих изотопов располагаются под землей на глубине в несколько сотен метров, в окружении скальных пород. Контейнеры со шлаками снабжают толстыми антикоррозийными оболочками, многометровыми слоями глины, препятствующей просачиванию грунтовых вод. Одно из таких хранилищ строится в Швеции на полукилометровой глубине. Это сложное инженерное сооружение снабжается разнообразной контрольной аппаратурой. Специалисты уверены в надежности данного сверхглубокого радиоактивного могильника. Такую уверенность вселяет обнаруженное в Канаде на глубине 430 м природное рудное образование объемом свыше миллиона кубометров с огромным, содержанием урана – до 55% (обычные руды содержат проценты или даже доли процента этого элемента). Это уникальное образование, возникшее в результате осадочных процессов примерно 1,3 млн лет назад, окружено слоем глины толщиной в разных местах от 5 до 30 м, который действительно накрепко изолировал уран и продукты его распада. На поверхности над рудным образованием и в его окрестностях не обнаружено следов ни повышения радиоактивности, ни увеличения температуры. Однако как будет в других местах и при других условиях?

Кое-где радиоактивные шлаки остекловывают, превращая в прочные монолитные блоки. Хранилища снабжаются специальными системами контроля и отвода тепла. В подтверждение надежности данного способа можно опять сослаться на естественный феномен. В Экваториальной Африке, в Габоне, около 2 млн лет назад случилось так, что вода и урановая руда собрались в созданной самой природой каменной чаше внутри скальных пород и в такой пропорции, что получился естественный, «без всякого участия человека», атомный реактор, и там в течение некоторого времени, пока не выгорел скопившийся уран, шла цепная реакция деления. Образовывался плутоний и те же радиоактивные осколки, как и в наших искусственно созданных атомных котлах. Изотопный анализ воды, почвы и окружающих горных пород показал, что радиоактивность осталась замурованной и за 2 млн прошедших с тех пор лет ее диффузия была незначительной. Это позволяет надеяться, что остеклованные источники радиоактивности в ближайшую сотню тысяч лет тоже останутся наглухо изолированными.

Иногда шлаки замуровывают в глыбы особо прочного бетона, которые сбрасываются в океанские глубины, хотя это далеко не лучший подарок нашим потомкам. В последнее время всерьез обсуждается возможность забрасывать контейнеры с долгоживущими изотопами с помощью ракет на невидимую обратную сторону Луны. Вот только как обеспечить стопроцентную гарантию того, что все запуски будут успешными, ни одна из ракет-носителей не взорвется в земной атмосфере и не засыплет ее смертоносным пеплом? Риск очень велик. Да и вообще мы не знаем, для чего понадобится обратная сторона Луны нашим потомкам.

А радиоактивных шлаков на АЭС образуется немало. Например, в Швеции, энергетика которой на 50% атомная, к 2010г. накопится примерно 200 тыс. м³ требующих захоронения радиоактивных отходов, из них 15% из которых содержат долгоживущие изотопы – остатки концентрированного ядерного горючего, требующие особо надежного захоронения. Этот объем сопоставим с объемом концертного зала и только лишь для одной маленькой Швеции!

Многие специалисты приходят к выводу: наиболее рациональное место захоронения – недра Земли. Для гарантии радиационной глубина захоронения должна быть минимум полкилометра. Для большей безопасности лучше располагать отходы еще глубже, но, увы, стоимость горных работ растет быстрее, чем квадрат глубины. Относительно недавно была высказана идея захоронения высокоактивных ядерных отходов в глубоких скважинах, заполненных легкоплавкой, инертной, водонепроницаемой средой. Наиболее удачным заполнением скважин может оказаться природная сера. Герметичные капсулы с высокоактивными отходами погружаются до дна скважины, расплавляя серу собственным тепловыделением. Предлагаются и другие способы захоронения радиоактивных отходов.