Содержание природных радионуклидов является одним из показателей качества угля, влияющих на радиоэкологическую безопасность. Энергетика, использующая уголь, относится к числу наиболее крупных источников загрязнения окружающей среды. Удельная активность природных радионуклидов в углях отдельных месторождений различается в 100—1000 раз и более [1]. В целом среднее содержание 238U и 232Th оценивается 20 Бк/кг, 40K — 50 Бк/кг. При наличии в районах угольных месторождений урановых аномалий вариации удельной активности природных радионуклидов составляют (3,6—8,4)104 Бк/кг.
В нашей стране детально изучена радиоактивность бурого угля Забайкалья на Окино- Ключевском, Татауровском, Харанорском, Уртуйском, Кутинском месторождениях (табл. 1).
Примером отработки угля с повышенным содержанием природных радионуклидов может служить Уртуйское месторождение, освоение которого началось в 1986 г. Приаргунским производственным горно-химическим объединением [2]. Геологоразведку месторождения проводило Сосновское производственное геологическое объединение, специализирующееся на поиске и разведке радиоактивного сырья, разработку — Приаргунское производственное горно-химическое объединение.
Опыт отработки Уртуйского месторождения и сжигания угля на Краснокаменской ТЭЦ и в бытовых печах обозначил проблемы, связанные с радиационной безопасностью персонала и населения. Критериями стали требования норм радиационной безопасности не превысить дозу облучения населения 1 мЗв в год и удельную активность золошлаковых отходов, которые можно использовать в строительных целях в населенном пункте, не более 370 Бк/кг. Обоснования выполнены ВНИПИпромтехнологии. В расчетах учитывали условия сжигания угля и рассеяния природных радионуклидов, закономерности поступления радиоактивных веществ по ингаляционной и пищевой цепочкам в организм животных и человека. На основе расчетов выведены формулы для определения дозы облучения человека, активности золошлаковых отходов и предельных норм выбросов радиоактивных веществ. Результаты исследований получили положительное заключение Института биофизики, НИИ радиационной гигиены и Федерального управления медико-биологических проблем при Минздраве РФ и стали основой для организации системы контроля качества угля по радиационно-гигиеническому фактору. С этой целью создан опытный пункт управления качеством по типу автомобильной радиометрической контрольной станции для сортировки урановых руд. Для достижения необходимой чувствительности аппаратура радиометрической контрольной станции была модернизирована. Через опытный пункт стали пропускать все без исключения углевозы и сортировать уголь по радиационно-гигиеническому фактору — допустимой дозе облучения населения.
Кроме радиометрической станции, в систему геофизического контроля качества вошли γ-опробование забоев экскаваторов и штабелей угля, а также γ-каротаж эксплуатационно-разведочных скважин. Для этих целей увеличена чувствительность приборов, которые применяют для работ при добыче урана. При радиометрической сортировке выделены комплексные угли, которые невозможно расшихтовать до допустимых пределов и направить на ТЭЦ для сжигания. Научно-исследовательской лабораторией Приаргунского производственного горнохимического объединения изучены возможности получения из таких углей и продуктов их сжигания урановой продукции. По результатам опытных работ установлено низкое извлечение урана, что делает нерентабельным использование этого сырья. Одновременно расчеты показали, что отсортированный уголь не подпадает под статус радиоактивных отходов.
Уголь Уртуйского месторождения по содержанию урана разделен на три сорта: уголь 1-го сорта (потребительский) с содержанием урана менее 0,001% можно применять в бытовых целях, 2-го сорта (энергетический) с содержанием урана 0,001—0,01%— на ТЭС, 3-го сорта (комплексный) с концентрацией урана более 0,01% следует хранить в специальных отвалах до принятия решения об использовании. До 1995 г. в специальных отвалах с прикрытием поверхности инертным материалом из вскрышных пород было складировано 750 тыс. т. Уголь, поставляемый потребителям, сертифицирован региональным центром санэпиднадзора. Его удельная активность составляет в среднем 77,5 Бк/кг, что соответствует классу 1 материалов по СанПиН 2.6.1.2523—09.
Исследованиями Томского университета изучена геохимия радиоактивных элементов угольных месторождений Сибири, Дальнего Востока, Казахстана и Монголии. Показано, что содержание урана в углях месторождений и бассейнов Северной Азии изменяется от 0,6 до 32,8 г/т, тория — от 0,8 до 32 г/т [3].
Средневзвешенное содержание урана в углях Сибирского региона с учетом ресурсов Западно-Сибирского угольного бассейна составляет 1,5 г/т, что соответствует мировой средней концентрации урана в буром угле мира. Средняя оценка содержания тория для углей Сибири равна 2,4 г/т. Участки высокорадиоактивного угля известны в месторождениях Иркутского и Канско-Ачинского угольных бассейнов, а также в месторождениях Забайкалья. В западной части Канско-Ачинского угольного бассейна содержание урана в угле в среднем составляет 4,9 г/т.
Угли Кузнецкого угольного бассейна в среднем характеризуются как низкорадиоактивные. Однако почти на всех разрезах имеются локальные участки с повышенным содержанием радия.
Содержание урана и тория в добываемых углях Кемеровской области находится в пределах допустимых значений, за исключением шахт Бутовская, им. Димитрова, им. Шевякова и разреза Итатский [4]. Из табл. 2 видно, что содержание урана в углях Итатского месторождения значительно превышает характерное для Кузбасса: уран — среднее 56,9, вариации — 6— 139 г/т. На шахте им. Шевякова среднее содержание тория достигает 15,8, вариации — 3,75— 85,5 г/т.
Радиационные выбросы ТЭС, работающих на угле разных месторождений. Радиоактивность угольной золы обусловлена, в основном, 226Ra, 232Th и 40K. При сжигании угля на ТЭС за счет выгорания углерода и удаления летучих соединений концентрируются микроэлементы, в том числе и радионуклиды в продуктах сгорания. Попадая в атмосферу, они рассеиваются, образуя сложное объемное поле, в пределах которого концентрация веществ уменьшается от максимальной на выходе из трубы до минимальной фоновой.
По результатам радиоэкологического обследования Несветайской и Новочеркасской ГРЭС [1], работающих на угле Восточного Донбасса, оценена плотность загрязнения за период их эксплуатации. Так, для зоны максимального загрязнения в радиусе 0,4—1 км вокруг Несветайской ГРЭС концентрация 238U составила более 9000 МБк/км2, 226 Ra — более 333 МБк/км2, 210Pb — ~1073 МБк/км2. По результатам исследований сделаны следующие выводы:
– распределение 238U, 226Ra и 232Th по земной поверхности в зависимости от расстояния от труб ТЭС имеет характерный для зольных выбросов вид;
– среднее загрязнение земной поверхности природными радионуклидами, кроме 222Rn и 210Pb, существенно выше в ближней зоне (0,3— 3 км): для Несветайской ГРЭС в среднем в 1,29 раза, Новочеркасской ГРЭС — в 1,35 раза. В целом выбросы этих ГРЭС оказывают существенное влияние на формирование радиационной обстановки в районе расположения.
Установлено, что удельная радиоактивность летучей золы возрастает с уменьшением размеров частиц [5]. Поэтому радиоактивность выбрасываемой в атмосферу летучей золы с меньшим размером частиц больше по сравнению с золой с более крупными частицами, уловленными природоохранным оборудованием на ТЭС [6]. Исследования показывают, что концентрация радионуклидов в шлаке и золе почти в 10 раз выше, чем в угле (табл. 3). Даже при сжигании угля с небольшим содержанием урана и тория, использовании полученных золошлаков для отсыпки дорог и в качестве искусственных грунтов радиоактивный фон относительно местного возрастает в 2—3 раза.
Из табл. 4 следует, что при сжигании угля на ТЭС в летучей золе концентрируются уран и торий. Увеличение концентрации тория колеблется от 1,7—2,1 (Луганская, Кураховская ТЭС) до 11—13,6 (Владимирская ТЭЦ-1, Московская ТЭЦ-22), урана — от 1,1—1,4 (Мироновская, Кураховская ТЭС) до 3,5—3,85 (Московская ТЭЦ-22, Зуевская ТЭС).
Радиационная безопасность ТЭС, работающих на угле. При работе ТЭС содержащиеся в угле радионуклиды с продуктами их сжигания (золошлаковыми отходами и газоаэрозольными выбросами) попадают в биосферу и служат источником облучения людей. Опасность для окружающей среды, особенно при повышенной радиоактивности золы (выше 370 Бк/кг), может представлять также пылеунос с золоотвалов.
Загрязнение золошлаковых отходов природными радионуклидами отдельных ТЭС (исследовали около 50 ТЭС, на которых использовались 20 видов угля) иногда достигает 520 Бк/кг [8]. Природные радионуклиды из золоотвалов могут попадать в организм людей по пищевым цепочкам и при их размытии водой. Компоненты золы, попавшие при дыхании в легкие, поступают в кровь и проникают в ткани, вызывая заболевания. Особый вред при этом наносят химические элементы, способные испускать α-частицы, — торий и уран.
При изучении радиационной обстановки вокруг ТЭС главным является исследование распространения в атмосферном воздухе природных радионуклидов, выбрасываемых с летучей золой и осаждающихся затем на земную поверхность. Большая часть выпавшей на поверхность золы оседает на надземной части растений и в конечном итоге попадает в почву. Кроме того, значительный вклад в радиоактивное загрязнение окружающей среды может вносить удержание золы и аэрозолей кронами деревьев в лесных массивах (до 5 раз).
В заключение следует отметить, что в нашей стране содержание природных радионуклидов в добываемом угле, за исключением Уртуйского месторождения, не контролируется и уголь с повышенным содержанием природных радионуклидов поступает к потребителю, что приводит к дополнительной нагрузке на окружающую среду за счет выбросов радиоактивных аэрозолей и образования золы. Для снижения облучения персонала и населения, проживающего в районе расположения угольных предприятий и ТЭС, необходим контроль как за содержанием природных радионуклидов в угле, так и за выбросами в атмосферу.
Решение проблем требует централизованного подхода и создания нормативной базы. Нормы радиационной безопасности НРБ-99 ограничивают только применение шлаков в строительных целях. Уголь по радиационному признаку не нормируется. Опыт разработки Уртуйского месторождения показывает возможность создания эффективной системы контроля качества угля по радиационно-гигиеническому фактору и обеспечения охраны окружающей среды и здоровья населения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Давыдов М.Г., Тимонина Ю.А. Радиационная обстановка в районе расположения ГРЭС Ростовской области. — Теплоэнергетика, 2003, № 12, с. 8—13.
2. Суханов Р.А., Сидорова Г.П. Проблемы использования углей с повышенной радиоактивностью. — Горный журнал, 2009, № 2, с. 43—45.
3. Арбузов С.И., Волостнов А.В., Машенькин В.С. Радиогеохимическая характеристика углей Северной Азии. — Энергетик, 2010, № 3, с. 2—8.
4. Исхаков Х.А., Счастливцев Е.Л., Кондратенко Ю.А., Лесина М.Л. Радиоактивность углей и золы. — Кокс и химия, 2010, № 5, с. 41—45.
5. Хедвал Р., Эрландсон Б. Концентрация радиоактивности в неядерных отраслях промышленности. — Бюл. Центра обществ. информ. по атомной энергии, 1998, № 2, с. 26—30.
6. Пути миграции искусственных радионуклидов в окружающей среде. Радиоэкология после Чернобыля. Пер. с англ. Под ред. Ф. Уоррена, Р. Харрисона. М.: Мир, 1999. 512 с.
7. Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В., Шпицглуз А.Л., Парада С.Г. Компоненты зол и шлаков ТЭС. М.: Энергоатомиздат, 1995. 176 с.
8. Белюсенко Н.А., Соловьянов А.А. Принципы программного обеспечения радиационно-экологической безопасности на объектах ТЭК России. — Безопасность труда в промышленности, 1996, № 1, с. 30—34.
Крылов Д.А. (НИЦ «Курчатовский ин-т», г. Москва), Сидорова Г.П. (Забайкальский гос.ун-т, г. Чита)
