福島核廢水排放后會怎樣擴散？——清華大學團隊的模擬結果
以下文章來源于中國科學雜志社 ，作者《國家科學評論》
日本政府計劃從2023年開始將福島核廢水排放到太平洋中，這一決策引發(fā)了周邊國家乃至全球對于損害人體健康以及污染生態(tài)環(huán)境等問題的擔憂。福島核廢水離我們到底有多遠？為了回答這一問題，清華大學的研究團隊對福島核廢水的擴散過程進行了模擬，并以動畫的形式展現(xiàn)了廢水中主要放射性物質——氚的擴散過程。
為什么要進行這項研究？
2021年4月13日，為了緩解日益增長的核廢水存儲壓力，日本內閣會議正式通過了將福島核廢水排放入海的議案。眾所周知，相比于化石燃料，核燃料有著能量密度高、環(huán)境污染小、發(fā)電成本低等優(yōu)點，但也存在著許多潛在的安全問題。例如，在著名的切爾諾貝利事故中，就有上萬人因核輻射而罹患癌癥、免疫缺陷等疾病甚至死亡，輻射塵所帶來的環(huán)境污染更是難以估量。
盡管日本政府表示，經過處理后的污水中基本不存在除氚以外的放射性核素，并且氚的濃度也會降低到相關標準的1/40。但是，核廢水排放之后怎樣擴散，這些放射性物質會去到哪里，對周邊國家或者整個太平洋又有什么影響？這些問題都還沒有答案。
此外，放射性物質產生的負面影響可能是長期的，日本政府計劃的核廢水排放將持續(xù)30-40年，在這么長的時間里，是否會出現(xiàn)放射性物質的聚集也是個未知數(shù)。所以，對福島核廢水的擴散過程進行模擬是非常有必要的。
模擬結果告訴我們什么？
模擬結果揭示了福島核廢水離我們有多遠。以我國為例，放射性物質最早出現(xiàn)在臺灣東側海域，對應的時間點大約是核廢水開始排放后第8個月，之后污染物將迅速覆蓋我國的東南沿岸海域，并逐漸向東海和渤海擴散。
在排放后的第1200天（3.3年），污染物擴散到加拿大和美國的西側海域，而澳大利亞的北部也出現(xiàn)了一部分污染物，此時幾乎整個北太平洋都被污染物覆蓋。
隨后的擴散過程也主要與上述兩處地點相關，放射性物質在赤道洋流的作用下沿美洲海岸向南太平洋快速擴散，同時也通過澳大利亞北部海域向印度洋轉移。
由于排放口位于福島，毫無疑問日本附近的海域會最先受到污染，但是不是東亞沿岸海域的污染物水平就更高呢？細心的讀者可能已經發(fā)現(xiàn)，排放的核廢水其實主要向東擴散，太平洋西側的受污染程度似乎要低一些。從上面的污染物濃度分布圖可以看出，在第2800天時，中國東南沿岸海域主要呈現(xiàn)濃度較低的淺粉色，而北美西側海域已經基本被濃度較高的紅色所覆蓋。
為了更清楚的展現(xiàn)對比結果，研究人員選取了日本宮崎、中國上海和美國圣迭戈3個沿海城市，并繪制了它們附近海域的氚濃度變化曲線，結果如下。
在這三個城市中，出現(xiàn)污染物的先后順序是宮崎（藍色線條）、上海（黃色線條）以及圣迭戈（紫色線條），這主要由它們到福島的距離決定。根據(jù)三條曲線的趨勢，可以發(fā)現(xiàn)各區(qū)域的污染物濃度在開始時增長比較迅速，但在后期逐漸趨于平穩(wěn)，如宮崎附近的污染物濃度在2000天后基本穩(wěn)定在0.003個單位上下。值得關注的是，盡管圣迭戈出現(xiàn)污染物的時間是最晚的，但是其穩(wěn)定濃度甚至比宮崎還要高。在第4000天時，圣迭戈附近海域的污染物濃度大約為0.01個單位，這一數(shù)值已經超過了東亞的絕大部分沿海區(qū)域，是宮崎的3倍左右、上海的40倍左右。
出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是日本附近強烈的洋流作用——具體來說，福島處于日本暖流（向北）和千島寒流（向南）交匯的地方，所以大部分污染物不會沿著陸地邊緣向南北方向遷移，而是隨著北太平洋暖流向東擴散。這一結果也意味著，在核廢水排放的早期，應主要考慮它對亞洲沿岸的影響，但在后期，由于北美沿岸海域的污染物濃度將持續(xù)高于大部分東亞沿岸海域，需要重點關注北美沿岸海域的受影響情況。
這項研究是怎樣進行的？
前面介紹了研究的主要成果，那么這些成果是怎樣得到的，可靠性又如何呢？我們知道，海洋有著面積巨大、環(huán)境變化復雜的特點，所以預測污染物在海洋中的擴散行為是一個極具挑戰(zhàn)性的問題。
為了實現(xiàn)模擬，研究團隊首先將放射性物質在海洋中的擴散拆解為3個近似獨立的子過程，分別是遷移過程、分散過程以及衰減過程。簡單的說，遷移過程是指污染物隨洋流的運動，分散過程是指污染物從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的輸送，衰減過程是指污染物由于自身的分解、衰變等轉化為其它物質的過程。下面這張圖形象的表示了這3個過程所引起的污染物濃度變化。
進一步，可以將整個海域劃分成一系列方形小區(qū)域，然后計算一個時間步長內每個區(qū)域的污染物濃度變化（3個子過程疊加），這一計算過程不斷迭代進行，就得到了指定時刻的污染物濃度分布。為了補充和驗證前面的宏觀擴散模擬方法，研究團隊還從微觀的角度（將污染物分解成大量的獨立微粒）進行了核廢水排放的擴散模擬，結果如下。
兩種結果的對比如下圖，可以看出兩種方法得到的結果在時間、空間上都是一致的，這也印證了分析方法的可行性。
此外，針對其他可能的放射性核素，例如半衰期為2.06年的銫-134和半衰期為50.5天的鍶-89，研究人員也進行了類似的擴散模擬�？梢钥吹�，鍶-89的影響范圍僅局限在北太平洋內，這是由其較短的半衰期決定的。從福島出發(fā)的核廢水在經過1200天的擴散后，大約2/3的銫-134會發(fā)生衰變，而鍶-89的總量已經不到初始值的千萬分之一了。
關于福島核廢水，還需要研究什么？
根據(jù)日本的排放計劃，1單位氚污染物的濃度大約對應0.29Bq/m3，相比于氚在海洋中的背景濃度來說不算很大。盡管如此，這項研究對于污染物長期擴散的預測、核廢水排放計劃的合理應對以及后續(xù)放射性物質濃度的監(jiān)測仍具有重要意義。
在該研究的基礎上，還需要通過進一步試驗來探究生態(tài)環(huán)境對于放射性物質的敏感性，確定放射性物質濃度增加對于海洋生態(tài)環(huán)境和人類生活環(huán)境的影響程度，從而最終判斷排放核廢水這一行為對于整個海洋和人類的影響。
這項研究成果發(fā)表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR），關于研究的詳細內容，感興趣的讀者可以參考文后的論文鏈接。清華大學深圳國際研究生院博士研究生劉毅為論文第一作者，胡振中副教授和張建民院士為共同通訊作者，合作作者還包括碩士研究生郭雪卿和助理教授李孫偉。
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Discharge of treated Fukushima nuclear accident contaminated water: macroscopic and microscopic simulations
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab209
