Газоаэрозольные выбросы атомных электростанций, миграция и накопление радионуклидов в объектах окружающей среды

Московский государственный технический университет  
имени Н. Э. Баумана 

 
 

 
 
В. В. Перевезенцев  
 
 
 
Газоаэрозольные выбросы  
атомных электростанций,  
миграция и накопление радионуклидов  
в объектах окружающей среды 
 
 
Учебное пособие по дисциплине  
«Экология ядерной энергетики» 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

УДК 621.039.58 
ББК 31.4н 
 П27 
 
Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru  
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/189/book1288.html 

Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Ядерные реакторы и установки» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент В. С. Окунев,  
д-р техн. наук, профессор Л. В. Точеный 
 
 
Перевезенцев, В. В. 
Газоаэрозольные выбросы атомных электростанций, миграция 
и накопление радионуклидов в объектах окружающей среды : 
учебное пособие по дисциплине «Экология ядерной энергетики» / 
В. В. Перевезенцев. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016. — 76, [4] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-4248-5 
Показаны пути поступления радионуклидов в окружающую среду с газоаэрозольными выбросами атомных электростанций (АЭС). Рассмотрена 
гауссова модель распространения газоаэрозольного выброса в направлении 
ветра с учетом воздействия атмосферной турбулентности. Приведены расчетные соотношения для удельной объемной активности радионуклидов. 
Представлены модели миграции и накопления радионуклидов в природных 
комплексах. Изложены методики расчетов дозовых нагрузок на население в 
регионе размещения АЭС.  
Для студентов 5-го и 6-го курсов МГТУ им. Н. Э. Баумана, обучающихся по специальности «Ядерные реакторы и материалы». 
УДК 621.039.58 
ББК 31.4н 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
© МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-4248-5  
 
    МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2016 

П27 

Предисловие 

Пособие посвящено вопросам радиационного воздействия радио
нуклидов газоаэрозольных выбросов атомных электростанций (АЭС) 
на объекты окружающей среды.  

Приведены сведения о наиболее значимых радионуклидах с 

точки зрения формирования дозовых нагрузок на население в регионе размещения АЭС. Представлены модели распространения 
радионуклидов газоаэрозольных выбросов в атмосферном воздухе, 
их выпадения на подстилающую поверхность и накопления в растительности. Рассмотрены камерные модели поступления и накопления радионуклидов в организме человека по пищевым цепочкам 
(при употреблении в пищу загрязненных радионуклидами продуктов). Изложены методики оценки дозовых нагрузок внешнего и 
внутреннего облучения населения радионуклидами газоаэрозольных выбросов. Рассмотрены методы очистки газоаэрозольных выбросов АЭС от радиоактивных инертных газов, радиоактивных 
аэрозолей и изотопов йода. Приведены сведения о системах очистки, радионуклидном составе и мощности газоаэрозольных выбросов на АЭС с ядерными реакторами различных типов. 

Издание предназначено для студентов старших курсов, обуча
ющихся по специальности «Ядерные реакторы и материалы». 
Представленные сведения помогут не только провести корректную 
оценку уровня радиационного воздействия на население и объекты 
окружающей среды, но и разработать обоснованные конструкторские решения, направленные на снижение выхода радионуклидов 
АЭС в окружающую среду. При выполнении выпускной квалификационной работы (дипломного проекта) учебное пособие может 
использоваться для количественной оценки радиационного воздействия на население и природные комплексы в регионе размещения АЭС. 

Целями учебного пособия являются: 
• изучение радионуклидного состава, радиационных характе
ристик радионуклидов газоаэрозольных выбросов АЭС; 

• приобретение студентами теоретических знаний и освоение 

практических навыков расчетов поступления в окружающую среду 
радионуклидов газоаэрозольных выбросов, их накопления в природных комплексах, формирования дозовых нагрузок на население; 

• изучение и освоение моделей переноса радионуклидов га
зоаэрозольных выбросов в атмосферном воздухе; камерных моделей накопления радионуклидов в объектах окружающей среды; 
формирования дозовых нагрузок внешнего и внутреннего облучения населения в результате ингаляционного и перорального (по 
пищевым цепочкам) поступления радионуклидов в организм; 

• изучение физических процессов и принципов создания си
стем очистки газоаэрозольных выбросов АЭС от радионуклидов; 

• ознакомление с радиационной обстановкой в регионах раз
мещения АЭС с ядерными реакторами различных типов. 

В результате изучения данного учебного пособия студенты будут:  
знать радионуклидный состав газоаэрозольных выбросов АЭС 

и механизмы переноса радионуклидов в атмосферном воздухе, 
накопления в природных комплексах, формирования дозовых 
нагрузок на население в регионе размещения АЭС; методы математического моделирования этих процессов; методы и оборудование для очистки газоаэрозольных выбросов от радионуклидов; 

уметь разрабатывать модели переноса и накопления радионукли
дов АЭС в окружающей среде; выполнять расчеты уровней загрязнения радионуклидами атмосферного воздуха и дозовых нагрузок на 
население в регионе размещения АЭС; оценивать содержание радионуклидов в сельскохозяйственной продукции и дозовые нагрузки на 
население по пищевым цепочкам; 

владеть методами расчетных оценок поступления радио
нуклидов АЭС в окружающую среду, переноса и накопления в 
природных комплексах; методами количественного анализа закономерностей формирования дозовых нагрузок на население и природные комплексы в регионе размещения АЭС; принципами разработки систем очистки газоаэрозольных выбросов АЭС. 

 

 
 

Введение 

При эксплуатации АЭС образуются многочисленные радио
нуклиды, появление которых обусловлено как непосредственно 
процессами деления топливных ядер (продукты деления), так и 
реакциями активации конструкционных материалов, теплоносителя, примесей в нем и т. д. Определенное количество радионуклидов может попадать в окружающую среду вместе с воздухом системы вентиляции (газоаэрозольные выбросы) и водой системы 
охлаждения кондесаторов турбин (жидкие сбросы). При нарушении целостности оболочки тепловыделяющего элемента (твэла) 
продукты деления способны выйти в теплоноситель и в результате 
организованных и неорганизованных протечек в контуре поступить в помещения, где размещено соответствующее оборудование 
контура циркуляции теплоносителя.  

Продукты деления могут оказаться также в объеме конденса
тора турбин, откуда удаляются в виде парогазовой смеси эжекторными насосами. Кроме продуктов деления в составе парогазовой 
смеси присутствуют и продукты активации (радионуклиды, образующиеся в результате реакций поглощения нейтронов конструкционными материалами, теплоносителем, примесями в нем и т. д.).  

На АЭС с водо-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР) 

радионуклиды в конденсаторе могут оказаться только в случае 
протечек из первого контура (контура теплоносителя) во второй 
контур (паротурбинный тракт). В технологической схеме АЭС с 
канальным реактором большой мощности (РБМК), где есть непосредственная связь контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) с конденсатно-питательным трактом (КПТ), радионуклиды переносятся паром из барабана-сепаратора через 
турбину в конденсатор турбины. Поэтому выход радионуклидов в 
составе парогазовой смеси из объема конденсатора турбины на 
АЭС с РБМК существенно превышает соответствующие значения 
для АЭС с ВВЭР. В связи с этим на АЭС с РБМК высота вентиляционной трубы (~150 м), через которую в атмосферу с вентиляци

онным воздухом поступают и радионуклиды, существенно больше, чем на АЭС с ВВЭР (~100…120 м). 

При прямоточной системе охлаждения конденсаторов турбин 

радионуклиды попадают в водоем-охладитель в результате протечек загрязненного радионуклидами конденсата в контур технического водоснабжения. Радионуклиды поступают также со сбросами дебалансных вод, вод спецпрачечных и спецдушевых. 
Радионуклиды газоаэрозольных выбросов и жидких сбросов приводят к загрязнению окружающей среды, накапливаются в природных комплексах и, в конечном счете, формируют дозовые 
нагрузки на население, проживающее в регионе размещения АЭС.  

Поступление радионуклидов в окружающую среду регламен
тируется Санитарными правилами проектирования и эксплуатации 
атомных станций (СП АС-03), где установлены допустимые суточные выбросы и сбросы, при которых облучаемость населения 
не превышает выделенной на АЭС дозовой квоты 0,25 мЗв/год  
(0,2 мЗв за счет газоаэрозольных выбросов и 0,05 мЗв за счет радионуклидов жидких сбросов). На практике дозовые нагрузки на 
население оказываются существенно меньше дозовой квоты. 
Непосредственное измерение чрезвычайно низких уровней доз 
облучения населения представляет достаточно сложную техническую задачу. В этих условиях более точные данные по облучаемости населения могут быть получены расчетным путем с использованием математических моделей распространения и накопления 
радионуклидов в окружающей среде.  

В пособии рассматриваются вопросы миграции, накопления в 

объектах окружающей среды и формирования дозовых нагрузок на 
население в регионе размещения АЭС только радионуклидов газоаэрозольных выбросов. 

Содержащиеся в газоаэрозольном выбросе АЭС радионуклиды 

перемещаются и рассеиваются в атмосфере в результате ветрового 
переноса и турбулентной диффузии, обусловленной наличием в 
атмосфере достаточно крупных вихрей, взаимодействующих между собой и с поверхностью земли. Истечение из вентиляционной 
трубы содержащего радионуклиды воздуха приводит к формированию характерного конусообразного факела, аналогичного по 
структуре выбросам дымовых газов из высотных труб тепловых 
электростанций. Факел с распределенными в нем радионуклидами 
представляет собой объемный излучающий источник γ-квантов и 

β-частиц, создающий определенную дозу внешнего облучения 
населения. Кроме того, в результате гравитационного осаждения и 
турбулентного переноса аэрозольные частицы с радионуклидами 
оседают на подстилающей поверхности, образуя плоский источник ионизирующих излучений, который формирует дозу внешнего 
облучения населения. Взвешенные в приземном слое воздуха и 
содержащие радионуклиды газоаэрозоли при дыхании попадают в 
организм (ингаляционное поступление) человека и становятся источником внутреннего облучения. Наконец, радионуклиды газоаэрозольного выброса АЭС могут поступать в организм по пищевым цепочкам с загрязненными продуктами питания. При этом 
также формируется соответствующая доза внутреннего облучения 
населения. 

Таким образом, радионуклиды газоаэрозольных выбросов ока
зывают комплексное радиационное воздействие на население в 
регионе размещения АЭС. Дозовые нагрузки формируются путем 
внешнего облучения от объемного источника — факела, плоского 
источника выпавших на подстилающую поверхность радионуклидов, а также внутреннего облучения при ингаляционном и с загрязненными продуктами питания (по пищевым цепочкам) поступлении радионуклидов в организм человека.  

 
 
 
 
 

1. РАДИОНУКЛИДНЫЙ СОСТАВ  
ГАЗОАЭРОЗОЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ АЭС 

В окружающую среду (непосредственно в атмосферный воз
дух) с газоаэрозольными выбросами АЭС поступают радионуклиды — продукты деления топливных ядер и радионуклиды — продукты активации стабильных элементов в поле нейтронного 
потока. 

Очевидно, продукты деления образуются в топливной ком
позиции и могут выйти в объем теплоносителя только при 
наличии дефектов в оболочках твэлов. За пределы контура циркуляции теплоносителя продукты деления способны выходить в 
помещения в результате организованных и неорганизованных 
протечек. Продукты активации элементов теплоносителя, примесей в теплоносителе, продуктов коррозии конструкционных 
материалов, топливных ядер с образованием трансурановых 
элементов также могут загрязнять помещения, в которых размещаются элементы контура циркуляции теплоносителя.  

Для АЭС с ВВЭР и РБМК механизмы выхода радионуклидов 

в окружающую среду существенно различаются. Организованные (проектные) и неорганизованные (случайные) протечки 
теплоносителя из первого контура ВВЭР, испарение и дегазация 
протечек теплоносителя приводят к выходу радионуклидов в 
герметичные помещения первого контура. На АЭС с РБМК основным источником радионуклидов является парогазовая смесь, 
удаляемая из объема конденсаторов турбин эжекторными насосами. В парогазовой смеси присутствуют радиоактивные изотопы газов (РИГ), в основном криптона и ксенона, а также радиоактивный изотоп аргона 
41
18Ar,  образующийся в результате 

реакции (n, γ)-активации в газовом контуре системы охлаждения системы управления и защиты (СУЗ) реактора. 

1.1. Радионуклиды — продукты деления  
и их радиационные характеристики 

Из изложенного следует, что для ограничения поступления ра
диоактивных продуктов деления (ПД) в окружающую среду необходимо уменьшать количество дефектных твэлов в активной зоне. 
Через дефекты в оболочках твэлов ПД выходят в теплоноситель и 
далее — в герметичные помещения контура циркуляции теплоносителя. Нормативными документами ограничивается доля дефектных твэлов в активной зоне: в реакторах ВВЭР и РБМК число твэлов с дефектами типа газовой неплотности (с микротрещинами) не 
может превышать 1 %, а с более крупными дефектами, допускающими контакт теплоносителя с топливной матрицей, — 0,1 %. Для 
реакторов на быстрых нейтронах (БН) с натриевым теплоносителем соответствующие значения — 0,2 и 0,02 %. На всех АЭС с 
различными типами реакторов фактические значения доли дефектных твэлов в активной зоне существенно меньше установленных пределов. 

Все помещения АЭС вентилируются, поэтому радионуклиды, 

пройдя систему очистки газоаэрозольных выбросов, вместе с вентилируемым воздухом поступают в атмосферу. Очевидно, радионуклидный состав газоаэрозольных выбросов и их мощность зависят от многих факторов: количества и качества дефектов оболочек 
твэлов, интенсивности процессов активации элементов в поле 
нейтронного потока, интенсивности коррозионных процессов конструкционных материалов в потоке теплоносителя, эффективности 
систем очистки газоаэрозольного выброса АЭС и ряда других. Отметим, что радиоактивный распад также способствует снижению 
уровня активности радионуклидов, поступающих с газоаэрозольными выбросами в атмосферу через высотную вентиляционную 
трубу. В газоаэрозольном выбросе АЭС присутствуют радионуклиды с относительно большими (более десятков минут и даже нескольких часов) периодами полураспада, превышающими характерное время перемещения радионуклидов от места их образования 
до выхода в атмосферу из высотной вентиляционной трубы. 

Другим важным фактором, влияющим на характер воздей
ствия радионуклидов на природные комплексы, является вид 
образующихся при распаде радионуклидов ионизирующих излучений. Вследствие сравнительно малых длин свободных про

бегов заряженных α- и β-частиц в веществе (даже в воздухе) 
дозовая нагрузка на природные объекты, в том числе и на человека, формируется в результате излучения инкорпорированных 
радионуклидов. В то же время радионуклиды — источники  
γ-квантов — формируют главным образом дозовые нагрузки, полученные в результате внешнего облучения. В табл. 1.1 приведены характеристики радионуклидов — продуктов деления, присутствующих в газоаэрозольных выбросах АЭС и оказывающих 
существенное влияние на формирование дозовых нагрузок на 
окружающую среду и население в регионе размещения АЭС.  

 

Таблица 1.1 

Радиационные характеристики  

основных радионуклидов — продуктов деления 

Радионуклид 
Период  

полураспада T1/2
 
Энергия  

γ-квантов, МэВ 

Квантовый выход 

η, % 

Инертные радиоактивные газы 

133Хе 
5,247 сут 
0,081 
37,4 

135Хе 
9,10 ч 
0,250 
90,1 

135mХе 
15,29 мин 
0,527 
80,7 

85mKr 
4,48 ч 
0,151 
0,305 

75,5 
14,0 

87Kr 
76,31 мин 
0,403 
0,846 
2,555 

48,3 
7,25 
13,0 

88Kr 
2,84 ч 
0,196 
0,830 
2,392 

37,8 
13,0 
37,8 

Летучие продукты деления 

131I 
8,04 сут 
0,364 
82,4 

134Cs 
2,062 года 
0,796 
0,605 
0,569 

85,1 
97,5 
15,0 

137Cs 
30,174 года 
0,661 
85,1 

Нелетучие продукты деления 

99Мо 
66,02 ч 
0,739 
0,181 
0,141 
0,497 

12,8    
6,35 
4,95 
90,0