CC BY
217
ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ
УДК 550.42+621.039
ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИДЕИ В.И. ВЕРНАДСКОГО И РАЗВИТИЕ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ СОВРЕМЕННОЙ РОССИИ
© В.Л. Бочаров, Л.Н. Строгонова
Ключевые слова: геохимия; геохимические классификации; биосфера; ноосфера; радиоактивные элементы; атмосфера; энергетика; экологические риски.
Геохимические идеи, заложенные В.И. Вернадским, явились теоретической основой его учения о ноосфере. Созданная им классификация химических элементов указала путь к открытию новых источников энергии, прежде всего, атомной. По совокупности факторов и рисков ядерная индустрия должна быть поставлена на ведущее место в ряду глобальных экологических и социальных проблем. Путь их решения в глобализации ноосферного мышления.
Геохимия - история химических элементов нашей планеты.
В.И. Вернадский
ВВЕДЕНИЕ
Предметом геохимии являются химические элементы, их поведение в земной коре и более глубоких оболочках Земли. Как самостоятельная отрасль науки в системе геологических наук геохимия оформилась в первом десятилетии XX в. в России. Место рождения геохимии - кафедра минералогии Московского университета, которой с 1891 по 1911 гг. руководил выдающийся ученый современности В.И. Вернадский. Минералогию В.И. Вернадский трактовал как химию природных соединений земной коры, и поэтому наряду с натурным наблюдением большое значение придавал точному химическому анализу минералов. Для этой цели он широко использовал спектральный анализ, позволявший определять ничтожно малое количество химических элементов в минералах и горных породах.
До исследований В. И. Вернадского в геологической науке господствовало представление о минеральной форме нахождения химических элементов в литосфере. Философский склад ума ученого, умение видеть в единичных фактах проявление общих законов природы позволили ему создать представление о «рассеянной» форме нахождения химических элементов. Он пришел к выводу о рассеянии, как о всеобщем свойстве материи [1].
В 1912 г. В. И. Вернадский был избран действительным членом Российской академии наук и продолжил свои научные исследования в Санкт-Петербургском университете. Уже в начальный период развития геохимии стало очевидным ее практическое значение благодаря сформировавшейся научной школе академика В.И. Вернадского в составе А.Е. Ферсмана,
A.А. Саукова, А.П. Виноградова и других пытливых молодых исследователей.
В начале 20-х гг. ХХ столетия В.И. Вернадский заложил основы биогеохимии, или геохимии биосферы -науки о геохимической роли организмов. В этом направлении значительную роль сыграли его работы «Биосфера», «Биогеохимические очерки», опубликованные в 1920-1930-х гг., вошедшие затем в фундаментальные труды ученого и заложившие основу его учения о ноосфере [2-3]. Под влиянием этих трудов биогеохимические исследования стали развиваться в европейских странах и США. В 1930-х гг. В.И. Вернадский обратился к геохимии природных вод. Он доказал, что все природные воды - атмосферные, поверхностные и подземные связаны между собой и в совокупности представляют единую систему - гидросферу Земли.
В 1960-1970-е гг. особо актуальной стала проблема загрязнения окружающей среды. Теоретической основой решения этой проблемы явились идеи и методы геохимии, заложенные в фундаментальном учении
B.И. Вернадского о ноосфере. Возник новый чрезвычайно важный раздел современной геохимии - экологическая геохимия, - занимающийся геохимическими, экологическими функциями литосферы [4].
Развитие современной геохимии происходит в тесной связи с фундаментальными естественными и другими геологическими науками: физикой, химией, математикой, биологией, информатикой, тектоникой, геодинамикой, петрологией. Геохимия много получает от этих наук и, в свою очередь, помогает решать проблемы, стоящие перед ними [5].
В.И. ВЕРНАДСКИЙ - ОСНОВОПОЛОЖНИК СОВРЕМЕННОЙ ГЕОХИМИИ
Исключительно глубокое содержание приобретает геохимия в работах В. И. Вернадского. Они охватывают
практически все разделы геохимии, начиная от изучения химического состава абиогенных и биокосных систем и заканчивая геохимическим анализом техногенных систем. Помимо изучения отдельных процессов и систем особое внимание в работах В.И. Вернадского уделяется геохимии отдельных элементов. Методологической основой этих исследований является принцип историзма. Историко-геохимический анализ в работах ученого стал основным инструментом при изучении большинства проблем геохимии. Историзм становится руководящим принципом геохимических исследований.
В 1934 г. В.И. Вернадский предложил геохимическую классификацию элементов. Дело в том, что периодическая система элементов Д.И. Менделеева характеризует лишь их общие особенности и не отражает поведение элементов в природных условиях. Это связано с тем, что для геохимических процессов основное значение имеют лишь те свойства элементов, которые с общепринятой химической точки зрения являются второстепенными. В.И. Вернадский отмечал: «Геохимические факты не были приняты во внимание при построении периодической системы химических элементов. Поэтому геохимическая классификация элементов не может быть заменена их химической классификацией» [1, с. 36]. Элементы, объединяемые в геохимической классификации в группы, представляют по существу парагенные ассоциации, знание которых необходимо при изучении месторождений полезных ископаемых при их поисках и оценке качества минерального сырья. В современной ситуации геохимические классификации помогают решать проблемы охраны окружающей среды [5].
В своей классификации В.И. Вернадский учел самые важные особенности истории химических элементов, придавая главное значение явлениям радиоактив-
ности, обратимости или необратимости химических процессов, способности элементов образовывать соединения (минералы), состоящие из нескольких разнородных атомов. В соответствии с этими принципами все элементы периодической системы В.И. Вернадский разделил на шесть групп (табл. 1). Наиболее обширна группа циклических элементов, насчитывающая 44 элемента. Эти элементы по массе преобладают в литосфере, из них в основном состоят горные породы, природные воды, минералы. Можно сказать, что группы В.И. Вернадского отражают строение атома и иногда более детально, чем в более ранней классификации В.М. Гольдшмидта (например, группы элементов редких земель, благородных газов). Новым и чрезвычайно важным в этой классификации является то, что в ней впервые учтены радиоактивные свойства элементов, связанные с составом и особенностями неустойчивых ядер. На этом основании была выделена самостоятельная группа сильно радиоактивных элементов (табл. 1). Таким образом, В.И. Вернадский заложил научные основы нового раздела геохимической науки - радиогеохимии и предсказал ту великую и в то же время трагическую роль радиоактивных элементов, которую они могут сыграть в жизни человеческого общества.
Исследования геохимических свойств радиоактивных элементов неотделимы от изучения их минеральных форм. Современная минералогия радиоактивных руд, систематика минералов базируются на положении В.И. Вернадского о всеобщем рассеянии химических элементов (закон Кларка-Вернадского). Согласно этому закону, подавляющая часть радиоактивных элементов образует геохимические ассоциации в состоянии рассеяния, и лишь незначительная часть - в состоянии концентрации. Следствием является то обстоятельство, что месторождения радиоактивных руд крайне редки, как и количество радиоактивных минералов (табл. 2).
Таблица 1
Геохимическая классификация элементов В.И. Вернадского
Группа Состав группы Число элементов Процент от общего числа элементов (92) Абсолютная масса элементов в земной коре, т Процент от общей массы земной коры
I. Благородные газы Не, Ые, Аг, Кг, Хе 5 5,44 1014 5 • 10-4
II. Благородные металлы Яи, ЯИ, ЯД 08, Іг, РІ, Аи 7 7,61 1012 5-10-6
III. Циклические элементы Н, (Ве), В, С, Ы, О, Е, Ыа, ]^, А1, Бі, Р, Б, С1, К, Са, Ті, V, (Сг), Мп, Ее, Со, (№), Си, 7п, (Ое)? А8, Бе, Бг, (7г)? Мо, А§, Са, (Бп), (БЬ), (Те), Ва, (НІ), (Ш), (Яе), (Не), (ті), (ЯЬ), (Ві) 44 47,82 2 • 1019 99,8
IV. Рассеянные элементы Еі, Бс, Оа, Вг, ЯЬ, У, (ЫЬ), Іп, І, С8, Та 11 11,95 1016 5 • 10-2
V. Сильно радиоактивные элементы Ро, Яп, Яа, Ас, ТИ, Ра, и 7 7,61 1015 5 • 10-3
VI. Элементы редких земель Еа, Се, Рг, Ш, Рт, Бт, Еи, Оа, ТЬ, Бу, Но, Ег, Ти, УЬ, Еи 15 16,30 1016 5 • 10-2
Таблица 2
Систематика основных радиоактивных минералов
Класс Минерал Химическая формула Химический состав, % Типы месторождений Практическое значение
Окислы Уранинит и2ио7 И02 - 52,5 И03 - 30,0 Гидротермальные и пегматитовые жилы Важнейшая урановая руда
Торианит ТЮ2 ТИ308 - 12,0 Пегматитовые жилы Ториевая руда
Силикаты Торит ТИВЮ4 ТИ308 - 12,5 Включение в щелочных гранитах и сиенитах Ториевая руда
Фосфаты, арсенаты и ванадаты (урановые слюдки) Тюямунит Са[(И02^08] 8Н20 И03 - 60,0 Экзогенные образования в карстовых пустотах Основная урановая руда
Карнотит К2[(И02^08] 3Н20 И03 - 63,4 Кора выветривания песчаников, обогащенных органикой Основная урановая руда
Торбернит Си[И02(Р04)]2 12Н20 И03 - 57,5 Кора выветривания урановых месторождений Основная урановая руда
Отунит Са[И02(Р04)]2 8Н20 И03 - 62,7 Зона окисления урановых месторождений и урансодержащих пегматитов Основная урановая руда
ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Растущий спрос на энергию и все более широкая осведомленность об экологических выгодах чистой ядерной энергии создают основу для возрождения ядерной энергетики. Она может способствовать решению антикризисных проблем, а также проблем, связанных с энергетической безопасностью, экономическим развитием, улучшением качества окружающей среды и жизни населения.
Сегодня объективная необходимость ускоренного развития ядерной энергетики в стране обусловлена крайне тяжелым состоянием российской экономики в целом и энергетики в частности. Застой в развитии российского атомного комплекса создал дополнительные трудности, связанные с потерей квалифицированных кадров и утратой культуры производства. Современная обстановка характеризуется исключительно повышенной активностью (эволюционно-стуктурными изменениями) в ядерной сфере и исследованием новых технологий, прокладывающих путь к долгосрочному будущему ядерной энергетики. После длительного, более чем 25-летнего перерыва Россия возобновила сооружение новых атомных электростанций. Принятая Федеральная целевая программа «Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 гг. и на перспективу до 2015 г.» традиционно базируется на существующих типах реакторах и апробированной более чем полувековой практикой использования ядерного топливного цикла, потому что опыт - это самое главное.
В ближайшей стратегии развития ядерной энергетики до 2020 г. приоритет отдан реализации освоенных технологий, поскольку полувековой опыт - надежная гарантия успеха. Направление использования тепловых реакторов с водой под давлением (ВВЭР) является доминирующим в ближнесрочной перспективе. Атомные электростанции с реакторами большей мощности канальными (РБМК) успешно эксплуатируются, генерируя почти половину атомной энергии России. За быстрыми реакторами будущее, которое должно вобрать весь опыт эксплуатации данного типа реакторов
на пути к созданию атомных электростанций с замкнутым топливным циклом [6]. Водо-водяной энергетический реактор (реактор с водой под давлением) - это сегодняшняя база атомной энергетики, обеспечивающая не только генерацию электроэнергии, но и имеющая возможность работать в комбинированном цикле с производством тепла. Они обеспечивают в основном генерацию электричества, но могут работать в комбинированном цикле вместе с производством тепла.
В настоящее время в Российской Федерации действуют десять атомных электростанций с 31 ядерным реактором (табл. 3). Наиболее крупными из них являются Курская, Ленинградская, Балаковская и Нововоронежская атомные электростанции. При этом первые две используют ректоры типа РБМК, вторые - ректоры ВВЭР [7].
Увеличение мощности атомных электростанций будет осуществляться за счет достройки ранее заложенных блоков и, главным образом, сооружения новых блоков на территориях уже существующих атомных электростанций вместо выведенных из эксплуатации отработавших свой срок реакторных установок.
На промышленной площадке Нововоронежской атомной электростанции сооружаются два новых блока с реакторами типа ВВР мощностью 1200 МВт каждый (АЭС Нововоронежская-2) [8].
Развитие ядерной энергетики сопровождается рядом существенных экологических рисков, связанных с имманентными особенностями атомного энергетического цикла.
Функционирование реального ядерного топливного цикла определяется с непрерывно протекающими процессами взаимных превращений и функциональных изменений характеристик природного и техногенного факторов. Так как развивающиеся во времени процессы обусловливают последующую смену состояний в пределах устойчивого равновесия системы или за пределами такого равновесия, то возникает необходимость разработки математических методов определения характеристик экологической надежности системы с возможными дискретно-локальными или непрерывно накапливающимися экологическими рисками [9].
Таблица 3
Основные характеристики атомных электростанций России
Атомные электростанции Место расположения № блока Тип реактора Мощ- ность, МВт Год ввода в эксплуатацию Срок окончания эксплуатации Поколение реактора
1 1000 1985 2015 2
Балаковская г. Балаково, Саратовская область 2 3 ВВЭР-1000 1000 1000 1987 1988 2017 2018 2 2
4 1000 1983 2023 2
Белоярская г. Белоярск, Свердловская область 3 БН-600 600 1980 2010*** 2
1 12 1974 2009*** 1
Билибинская г. Билибино, Чукотский АО 2 3 ЭГП-6 12 12 1974 1975 2009*** 2010*** 1 1
4 12 1976 2011*** 1
Ростовская г. Волгодонск, Ростовская область 1 2 ВВЭР-1000 ВВЭР-1200* 1000 1200 2002 2032 2 3
Калининская г. Удомля, Тверская область 1 2 ВВЭР-1000 1000 1000 1984 1986 2014 2016 2 2
3 1000 2005 2035 2
1 440 1973 2008*** 1
Кольская г. Полярные Зори, Мурманская область 2 3 ВВЭР-440 440 440 1974 1979 2009*** 2009*** 1 2
4 440 1981 2011*** 2
1 1000 1976 2011*** 1
Курская г. Курчатов, Курская область 2 3 РБМК-1000 1000 1000 1979 1983 2009*** 2013 1 2
4 1000 1985 2015 2
Ленинградская г. Сосновый Бор, Ленинградская область 1 2 3 4 5 РБМК-1000 РБМК-1200* 1000 1000 1000 1000 1200 1973 1975 1979 1981 2008*** 2010*** 2009*** 2011*** 1 1 2 2 3
1 ВВЭР-210** 210 1964 1984 1
г. Нововоронеж, 2 ВВЭР-365** 365 1969 1984 1
Нововоронежская Воронежская об- 3 ВВЭР-440 417 1971 2016 1
ласть 4 ВВЭР-440 417 1972 2017 1
5 ВВЭР-1000 1000 1980 2010*** 2
Нововоронежская-2 г. Нововоронеж, Воронежская область 1 2 ВВЭР-1200* 1200 1200 3 3
Смоленская г. Десногорск, Смоленская область 1 2 3 РБМК-1000 1000 1000 1000 1982 1985 1990 2012 2015 2020 2 2 3
Примечание: * - строящиеся энергоблоки, ** - выведенные из эксплуатации энергоблоки, *** - планируется продление сроков эксплуатации энергоблоков на 15-20 лет. Использованы данные [6].
Радиоактивные отходы. Накопление радиоактивных отходов на атомных электростанциях пропорционально выработке электроэнергии. К началу 2007 г. на атомных электростанциях страны было накоплено более 18 тыс. т отходов. Ежегодный прирост составляет около 850 т. Как правило, большая часть твердых и жидких радиоактивных отходов хранится в специально оборудованных на атомных электростанциях хранилищах. В настоящее время все имеющиеся хранилища радиоактивных отходов заполнены на 80-85 %. Таким образом, происходит накопление отходов в наиболее развитой в экономическом отношении и густонаселенной европейской части страны.
Рост количества отходов, хранящихся в промышленных зонах атомных электростанций, осложняет
радиационную обстановку и снижает экологическую безопасность территорий расположения атомных энергетических объектов.
Вывод из эксплуатации обработанных энергоблоков и их ликвидация как радиационных объектов. В начале XXI столетия в России и ряде стран Западной Европы возникла системная проблема вывода из эксплуатации более 20 атомных энергетических установок, полностью выработавших свой ресурс. Это весьма сложный, дорогостоящий и длительный процесс, включающий в себя технологический, социальноэкономический и экологический аспекты. Россия не располагает опытом подобных работ, да и мировой пример в этом отношении весьма скромен.
Ориентировочная стоимость работ по ликвидации и доведению промышленной зоны до экологически безопасного уровня составит порядка 10 млрд руб. Отсюда вполне объяснимо стремление сделать все возможное, чтобы продлить время работы существующих энергоблоков.
Человеческий фактор. Современные ядерные реакторы - достаточно безопасные установки. Однако как и для других объектов повышенной опасности всегда существует риск возникновения аварийных ситуаций. Поэтому проблема человеческого фактора на атомных электростанциях имеет чрезвычайно важное значение для обеспечения экологической безопасности.
Из этого следует, что безопасность и надежность ядерной энергетики не в последнюю очередь зависит от ответственности, организованности и высокой компетенции каждого, кто связан с разработкой и эксплуатацией ядерных технологических систем. При возрастании объемов производства электроэнергии за счет атомных электростанций факторы риска, в т. ч. и человеческого, будут возрастать.
Выбор новых площадок для размещения объектов ядерной энергетики. Существуют общепринятые нормы выбора мест размещения атомных электростанций с учетом экологической безопасности и минимизации экологического риска. Эти требования касаются состояния устойчивости геологической среды, экономического развития территорий, размещения населенных пунктов. Однако не всегда эти требования выполнимы исходя из объективных обстоятельств. В Российской Федерации большинство атомных электростанций размещено в густонаселенной европейской части страны -территории с высоким промышленным потенциалом. Это оправдано с тех позиций, что высокая энергоемкость хорошо освоенной территории страны требует и надлежащего обеспечения ее электроэнергией. Если же размещать атомные электростанции в районах с низким промышленным потенциалом, но природные условия которых более благоприятны для развития атомного энергетического комплекса, то передача электроэнергии в области ее максимального потребления будет экономически крайне не выгодна. Поэтому, размещая атомные электростанции в западных регионах страны, необходимо принимать такие решения, которые сопровождались бы минимальным уровнем экологического риска. Вполне очевидно, что процесс и результат выбора цели и способы ее достижения - явление всегда социальное [7, 10].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В.И. Вернадский первым научно обосновал новую экологическую теорию развития Мира и начал кропотливую работу по количественной, системной оценке масштабов изменения природы человеческой деятельностью. Обобщив наблюдения предшественников не менее чем за 100 лет и изучив историю науки более раннего времени, он впервые выдвинул идею о необходимости изучения природы с одновременным охватом и минеральной (косной), и живой ее составляющих с единых атомистических позиций -биогеохимически, что стало идейной основой экологической геохимии [1, 4].
Научное наследие В.И. Вернадского огромно, но долго было малодоступным, т. к. многие экологические идеи не были приняты обществом, в котором господствовала идеология полного покорения природы. Учение В.И. Вернадского тем и ценно, что было провидческим и предсказало возможность наступления переживаемого сейчас экологического кризиса и одновременно показывало пути его предупреждения. Он писал, что «лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно» [2]. Основное значение он придавал роли научной мысли для создания ноосферы, а необходимыми условиями считал: научное и культурное объединение всего человечества, усовершенствование средств связи и обмена, открытие новых источников энергии, подъем благосостояния трудящихся масс, равенство всех людей и исключение войн из жизни человечества [11].
Еще большее значение он придавал безусловному уважению прав главного объекта экологии - человека, без чего само понятие «ноосфера» для него вообще не имело смысла. В настоящее время в моральноэтическом плане путь к ноосфере почти открыт. Именно этого всю жизнь добивался В. И. Вернадский, который был не только выдающимся ученым, но и великим гражданином - человеком Мира, наиболее последовательным защитником общечеловеческих ценностей, примером хранителя высочайшей нравственности, создавшего научные основы не только геохимической, но и глобальной социальной экологии [3].
ЛИТЕРАТУРА
1. Вернадский В.И. Очерки геохимии // Вернадский В.И. Избр. соч. М.: Изд-во АН СССР, 1954. Т. 1. 3б5 с.
2. Вернадский В.И. Размышления натуралиста. Пространство и время в живой и неживой природе. М.: Наука, 197б. 17б с.
3. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: Айрис Пресс, 2007. 507 с.
4. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. Кн. б. М.: Экология, 1997. б07 с.
5. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высш. шк., 1979. 423 с.
6. Тихонов М.Н., Рылов М.И. Ядерные энергетические установки: постижение реальности // Теоретическая и прикладная экология. 2009. № 3. С. 48-5б.
7. Бочаров В.Л. Современные эколого-экономические проблемы атомной энергетики // Экология Центрально-Черноземной области Российской Федерации. 2010. № 2. С. б8-70.
8. Бочаров В.Л., Курилович А.Э., Смирнова А.Я. Геология района Нововоронежской атомной электростанции. Воронеж: ИПЦ Воронеж. ун-та, 2012. 90 с.
9. Саркисов А.А. Феномен восприятия общественным сознанием опасности, связанной с атомной энергетикой // Вестник РАН. 2012. Т. 82. № 1. С. 9-18.
10. Углев В.А. Ноосфера и экология: коэволюция или конфликт // Коэволюция геосфер: от ядра до космоса. Саратов: Изд-во СГТУ, 2012. С. б3-бб.
11. Бочаров В.Л. В.И. Вернадский и становление науки и образования в Украине (к 145-летию со дня рождения). Малоизвестные страницы жизни и деятельности // Вестник Воронеж. ун-та. Сер. Геология. 2007. № 1. С. 190-191.
Поступила в редакцию 25 сентября 2012 г.
Bocharov V.L., Strogonova L.N. V.I. VERNADSKIY’S GEOCHEMICAL IDEAS AND DEVELOPMENT OF NUCLEAR POWER OF MODERN RUSSIA
The geochemical ideas put by V.I. Vernadskiy were a theoretical basis of his doctrine about noosphere. The classification of chemical elements created by him specified a way to opening of new power sources, first of all, nuclear. On set of factors and risks
the nuclear industry should be put on a leading place among global environmental and social problems. Way of their decision to globalizations of noosphere thinking.
Key words: geochemistry; geochemical classifications; biosphere; noosphere; radioactive elements; atmosphere; power; ecological risks.
