Токаревский В.¹, Томпсон К.², Шелтон Р.³

¹ ГСП «Техноцентр», Чернобыль, Украина, tokarevsky@radon.net.ua

² Department of Energy, Washington, USA, Kay.Thompson@hq.doe.gov

³ Joint Institute for Energy & Environment, Knoxville, USA, sheltonrb@utk.edu

Предложен комплексный проект ускоренного возрождения земель, выведенных из обычного хозяйственного использования вследствие радиоактивного загрязнения продуктами аварии на Чернобыльской АЭС. Проект основывается на использовании эффектов стабилизации и экстракции радионуклидов растениями, целенаправленном выращивании и сборе радиоактивных растений, конверсии биомассы в энергию и безопасной утилизации радиоактивных продуктов переработки биомассы. Предполагается создать в Чернобыльской зоне отчуждения опытный полигон ускоренного возрождения площадью 100 кв. км, электроэнергетические установки суммарной мощностью 13 МВт для обеспечения снятия ЧАЭС из эксплуатации и предприятий зоны отчуждения, а также бойлерные установки суммарной тепловой мощностью 72 МВт для утилизации радиоактивной биомассы.

Ключевые слова: радионуклид, грунт, фитодезактивация, биомасса, энергия.

Вследствие Чернобыльской катастрофы в Украине загрязнено 50370 кв. км территории, где в 2294 населенных пунктах проживает 2,4 млн. человек. Пройдет, по меньшей мере, 70-100 лет, пока вследствие радиоактивного распада плотность загрязнения снизится на этих территориях до уровня 1 Ки/кв. км, который сегодня считается пригодным для проживания и неограниченной хозяйственной деятельности. Таким образом, на протяжении целого столетия 12% площади сельскохозяйственных угодий Украины будет использоваться нерационально, либо полностью не использоваться, а 5% населения страны, которое проживает и работает на этих территориях, будет испытывать дискомфорт и нести тяжесть повышенного уровня радиоактивного облучения. Известные сегодня технологии интенсивной очистки грунтов основаны на снятии загрязненного слоя грунта и его промывке. Эти процессы требуют значительных энергетических ресурсов и денежных затрат. Стоимость такой очистки составляет порядка 1000 долларов США на 1 куб. м грунта. При этом разрушается плодородный слой грунта, вследствие чего очищенный грунт становится непригодным для сельскохозяйственного использования. В то же время известно, что растения (травы и деревья) функционируют как «природные насосы», которые экстрагируют радионуклиды вместе с питательными веществами из грунта с помощью корневой системы и накапливают их в наземной биомассе. Потенциальная производительность «природных насосов» составляет 0,05-0,1 Ки/га за сезон, а скорость транспортирования радионуклидов растениями в наземную биомассу может быть в 100-1000 раз больше, чем скорость ее вертикальной миграции. Причем, чем быстрее растет растение, тем большее количество радионуклидов оно поглощает из грунта. Таким образом, растения потенциально способны эффективно осуществлять перехват мигрирующих радионуклидов и, следовательно, могут защитить питьевые водоносные горизонты от загрязнения. При этом радионуклиды выводятся в наземную биомассу, что обеспечивает фитодезактивацию грунта и одновременно способствует снижению вертикальных и латеральных миграционных потоков. Для реализации потенциальной способности растений сдерживать миграцию радионуклидов и очищать от них грунт предлагается: 1)внедрить на территории Зоны отчуждения интенсивные технологии выращивания быстрорастущих деревьев; 2)внедрить агротехнологии выращивания высокоурожайных сельскохозяйственных культур, прежде всего многолетних кормовых трав. Сейчас наземная биомасса растений на загрязненных территориях не используется. Поэтому поглощенные растениями радионуклиды возвращаются в землю вместе с опадающей листостебельной биомассой и процесс повторяется. Это в какой-то мере сдерживает распространение радиоактивного загрязнения вглубь грунта, но никоим образом не обеспечивает его очистку.

Совместный украинско-американский проект

ГСП «Техноцентр» (Украина) и Оук-Риджская Национальная Лаборатория (США) совместно предложили проект, который может ускорить восстановление загрязненных радионуклидами земель с одновременным производством электрической энергии и полезной побочной продукции. Предлагается разорвать природное циклическое движение радионуклидов «земля-растение-земля» путем сбора и комплексной переработки растительной биомассы на загрязненных территориях. Рассмотрены три возобновляемых источника биомассы: 1)радиоактивно загрязненная древесина, нарабатываемая в процессе санитарных и противопожарных рубок, а также другой лесохозяйственной деятельности (в том числе лесозаготовок); 2)специально выращиваемый лес для укрепления грунтов (противоэрозийные мероприятия), возобновления лесов и т.п.; 3)специально выращиваемые растения на пахотных землях для производства биомассы. Целенаправленная деятельность по использованию загрязненной радионуклидами биомассы обладает следующими достоинствами:

·         осуществляется биологическая дезактивация загрязненных земель, поскольку растворимая, т.е. наиболее подверженная миграции в подземные воды часть радиоактивного загрязнения грунтов, накапливается в биомассе. Другими словами, регулярный «сбор урожая» позволит ежегодно извлекать из плодородного слоя грунта, где в настоящее время находится основная часть запасов радионуклидов, вполне заметную часть активности. Результаты исследований показывают, что скорость извлечения мобильных радионуклидов может достигать 2-5% в год.

·         происходит дополнительное связывание (стабилизация) радионуклидов в корневой системе, что препятствует миграции радиоактивности и выветриванию радиоактивной пыли;

·         культивация земель с использованием современных агротехнологий и методов, может быть спланирована таким образом, чтобы стимулировать накопление радионуклидов в биомассе, т.е. ускорить процесс биологической дезактивации.

Цель и сущность совместного проекта

Стратегической целью предлагаемого проекта является ускорение сроков возобновления неограниченной хозяйственной деятельности на отселенных территориях, а также распространение полученного опыта для ремедиации остальных загрязненных в результате Чернобыльской катастрофы украинских земель. В процессе реализации проекта будут адаптированы известные и отработаны новые технологии фиторемедиации загрязненных земель и безопасные промышленные технологии переработки радиоактивно загрязненной растительной биомассы для получения экологически чистой полезной продукции. Крупномасштабный совместный проект предполагает:

уменьшить угрозу распространения Чернобыльских радионуклидов за пределы зоны отчуждения и ускорить возвращение загрязненных земель для продуктивного использования;

обеспечить надежный источник электроэнергии по умеренной цене для широкого диапазона промышленной деятельности в пределах Чернобыльской зоны отчуждения и в прилегающих регионах;

создать качественные рабочие места в регионах Украины, пострадавших в результате Чернобыльской катастрофы.

Таким образом, результаты проекта будут способствовать:

решению социальных проблем, в частности занятости населения, проживающего в радиационных зонах;

реабилитации отселенных территорий и созданию условий для традиционной деятельности населения.

Проект предусматривает создание в Зоне отчуждения комплексной технологии, которая включает:

целенаправленное выращивание и сбор на загрязненных территориях биомассы растений-деконтаминантов почв и водоемов;

специализированный уход за лесами, очистку лесных массивов путем сбора радиоактивно загрязненной древесины, подстилающего слоя и погибшего леса (в том числе горельников);

переработку возобновляемой листостебельной и древесной биомассы, а также имеющихся запасов радиоактивно загрязненной древесины;

использование отходов переработки биомассы (в частности золы) для иммобилизации радиоактивных отходов (РАО) и производства строительных материалов для хранилищ РАО в Зоне отчуждения.

Основные этапы проекта

Проект предполагает создание в Чернобыльской зоне отчуждения комплексной безотходной технологии очистки поверхностного слоя грунта с одновременным получением полезной продукции (энергии, строительных материалов, экологически чистых продуктов). Технологическая схема реализации энергосберегающей стратегии ускоренной очистки загрязненных радионуклидами грунтов выглядит следующим образом:

·         Выращивание и сбор биомассы.

·         Подготовка биомассы к хранению и переработке.

·         Преобразование (конверсия) биомассы в электрическую и тепловую энергию.

·         Получение сопутствующих продуктов (зола).

·         Использование золы для производства строительных материалов ограниченного применения (производство контейнеров для РАО, строительство хранилищ для РАО и т.д.).

Внедрение проекта планируется осуществить в две стадии. На первой стадии в течение 8 лет будет разработана и апробирована в пределах Чернобыльской зоны отчуждения комплексная технология фитодезактивации грунтов и утилизации радиоактивно загрязненной растительной биомассы с получением полезной продукции – энергии и экологически чистых продуктов. Вторая стадия связана с промышленной эксплуатации этой технологии в Чернобыльской зоне отчуждения и внедрением разработанной комплексной технологии на радиоактивно загрязненных территориях Украины. При выполнении проекта в первую очередь будут проведены широкомасштабные научные исследования по выбору оптимальных агротехнологий и перспективных видов растений, в том числе генетически модифицированных, оптимальных для различных радионуклидов. В результате будет создана сырьевая база топливно-энергетического цикла в виде фитодезактивационного полигона. В состав полигона войдут опытные площадки общей площадью до 500 га с последующим расширением до 10000 га, в том числе лесные массивы и пахотные земли, которые до аварии находились в сельскохозяйственном использовании. Производительность сырьевой базы по древесной и листостебельной биомассе будет достаточной, чтобы обеспечить функционирование экспериментального, полупромышленного и промышленного оборудования, способного производить тепловую (72 МВт) и электрическую (13 МВт) энергию для обеспечения снятия Чернобыльской АЭС из эксплуатации и энергоснабжения основных работ в зоне отчуждения. Этим самим будут полностью удовлетворены потребности в энергии, которые в настоящий момент составляют:

·         194 ТДж/год электрической энергии для снятия ЧАЭС из эксплуатации;

·         125 ТДж/год электрической энергии для предприятий зоны отчуждения;

·         670 ТДж/год тепловой энергии для технологических и коммунальных нужд зоны отчуждения.

Требуемый уровень производительности будет поддерживаться за счет использования традиционной растительности зоны отчуждения, интродукции новых пород быстрорастущих деревьев и многолетних трав, а также специальных агротехнологий, которые предполагается внедрить для достижения максимального фитодезактивационного эффекта. Следует подчеркнуть, что уже современные запасы биомассы в зоне отчуждения позволяют получать 296000 тон возобновляемой биомассы в год, что по энергетическому эквиваленту в 60 раз превышает потребности предлагаемого проекта. Одновременно с созданием фитодезактивационного полигона разрабатываются проекты и пилотные образцы оборудования энергоустановок мощностью 1-3 МВт для экологически безопасной трансформации загрязненной древесины, лесной подстилки, листостебельной биомассы и техногенных органических радиоактивных отходов в энергию. Проводится апробация технологий фитодезактивации и конверсии растительной биомассы в энергию. Создание и апробация оборудования для утилизации радиоактивно загрязненной растительной биомассы сопровождается разработкой технологии иммобилизации полученной золы и ее использования для производства строительных материалов для контейнеров и хранилищ радтоактивных отходов. Перспективным местом для размещения энергоустановок и технологий утилизации золы является площадка комплекса хранилищ радиоактивных отходов «Вектор» в зоне отчуждения, где завершается строительство пускового комплекса. Опыт промышленной эксплуатации фитодезактивационного полигона и энергоустановок для конверсии древесной, листостебельной биомассы в энергию будет использовано на второй стадии проекта для широкомасштабного применения разработок за пределами зоны отчуждения. Первая стадия проекта является основной и состоит из двух этапов.

·         Этап №1. Технико-экономический анализ и научное обоснование проекта. Выбор структуры комплексной технологии и проектирование опытных образцов энергоустановок. Ввод в эксплуатацию электростанции мощностью 6,2 МВт для обеспечения работ по снятию Чернобыльской АЭС из эксплуатации. Продолжительность этапа 48 месяцев.

·         Этап №2. Апробация комплексной технологии и пилотного оборудования для фитодезактивации грунта с помощью растений, утилизации древесной, листостебельной биомассы в энергетических установках. мощностью 1-3 МВт. Ввод в эксплуатацию установок суммарной тепловой мощностью 72 МВт и электрической мощностью 6,8 МВт для обеспечения основных потребностей зоны отчуждения. Продолжительность этапа 48 месяцев.

Демонстрация комплексной технологии фитодезакитивации грунта с получением экологически чистой продукции (тепловой и электрической энергии) из радиоактивно загрязненной растительной биомассы потребует около восьми лет. Оценки показывают, что проект является самоокупаемым и начнет приносить чистую прибыль через шесть лет после начала промышленной эксплуатации. Последующие этапы, например увеличение масштабов проекта, выход за пределы зоны отчуждения или экспорт технологий зависят от результатов первой, демонстрационной стадии проекта. Характерным отличием настоящего проекта есть то, что его экономическая эффективность связана не только с результатами внедрения результатов разработок, но проявляется уже на первой фазе проекта в процессе его выполнения.

Значение проекта

Реализация проекта будет иметь большое значение для Украины, поскольку позволит:

·         уменьшить уровень радиоактивного загрязнения грунтов, что будет способствовать улучшению здоровья будущих поколений;

·         увеличить производство энергии внутри и вне зоны отчуждения;

·         частично возместить потери в производстве энергии после прекращения эксплуатации ЧАЭС;

·         создать предпосылки для развития промышленного производства энергетических установок, использующих в качестве сырья биомассу;

·         уменьшить нагрузку на бюджет Украины, связанную с минимизацией последствий Чернобыльской катастрофы;

·         разработать пригодные для экспорта технологии очистки загрязненных земель.

Проект будет иметь большое значение и для США, поскольку позволит:

·         создать новую высокотехнологичную экспортную продукцию;

·         превратить США в мирового лидера технологий возобновляемой энергии;

·         участвовать в исследованиях и разработках новых методов обращения с радиоактивными отходами на установках комплекса «Вектор»;

·         уменьшить стоимость изготовления и увеличить спрос на новые передовые технологии возобновляемой энергии;

·         внести вклад в увеличение региональной стабильности путем создания новых высококвалифицированных рабочих мест;

·         укрепить политические, экономические и общественные связи с Украиной.