日本政府計(jì)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(guó)家乃至全球?qū)τ趽p害人體健康以及污染生態(tài)環(huán)境等問題的擔(dān)憂。福島核廢水離我們到底有多遠(yuǎn)？為了回答這一問題，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)福島核廢水的擴(kuò)散過程進(jìn)行了模擬，并以動(dòng)畫的形式展現(xiàn)了廢水中主要放射性物質(zhì)——氚的擴(kuò)散過程。

為什么要進(jìn)行這項(xiàng)研究？

2021年4月13日，為了緩解日益增長(zhǎng)的核廢水存儲(chǔ)壓力，日本內(nèi)閣會(huì)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(diǎn)，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(wàn)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(jīng)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(huì)降低到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的1/40。但是，核廢水排放之后怎樣擴(kuò)散，這些放射性物質(zhì)會(huì)去到哪里，對(duì)周邊國(guó)家或者整個(gè)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(zhì)產(chǎn)生的負(fù)面影響可能是長(zhǎng)期的，日本政府計(jì)劃的核廢水排放將持續(xù)30-40年，在這么長(zhǎng)的時(shí)間里，是否會(huì)出現(xiàn)放射性物質(zhì)的聚集也是個(gè)未知數(shù)。所以，對(duì)福島核廢水的擴(kuò)散過程進(jìn)行模擬是非常有必要的。

模擬結(jié)果告訴我們什么？

模擬結(jié)果揭示了福島核廢水離我們有多遠(yuǎn)。以我國(guó)為例，放射性物質(zhì)最早出現(xiàn)在臺(tái)灣東側(cè)海域，對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)大約是核廢水開始排放后第8個(gè)月，之后污染物將迅速覆蓋我國(guó)的東南沿岸海域，并逐漸向東海和渤海擴(kuò)散。

在排放后的第1200天（3.3年），污染物擴(kuò)散到加拿大和美國(guó)的西側(cè)海域，而澳大利亞的北部也出現(xiàn)了一部分污染物，此時(shí)幾乎整個(gè)北太平洋都被污染物覆蓋。

隨后的擴(kuò)散過程也主要與上述兩處地點(diǎn)相關(guān)，放射性物質(zhì)在赤道洋流的作用下沿美洲海岸向南太平洋快速擴(kuò)散，同時(shí)也通過澳大利亞北部海域向印度洋轉(zhuǎn)移。

由于排放口位于福島，毫無(wú)疑問日本附近的海域會(huì)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(xì)心的讀者可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，排放的核廢水其實(shí)主要向東擴(kuò)散，太平洋西側(cè)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(shí)，中國(guó)東南沿岸海域主要呈現(xiàn)濃度較低的淺粉色，而北美西側(cè)海域已經(jīng)基本被濃度較高的紅色所覆蓋。

為了更清楚的展現(xiàn)對(duì)比結(jié)果，研究人員選取了日本宮崎、中國(guó)上海和美國(guó)圣迭戈3個(gè)沿海城市，并繪制了它們附近海域的氚濃度變化曲線，結(jié)果如下。

 

在這三個(gè)城市中，出現(xiàn)污染物的先后順序是宮崎（藍(lán)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(shì)，可以發(fā)現(xiàn)各區(qū)域的污染物濃度在開始時(shí)增長(zhǎng)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(gè)單位上下。值得關(guān)注的是，盡管圣迭戈出現(xiàn)污染物的時(shí)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(shí)，圣迭戈附近海域的污染物濃度大約為0.01個(gè)單位，這一數(shù)值已經(jīng)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(qiáng)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(huì)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(kuò)散。這一結(jié)果也意味著，在核廢水排放的早期，應(yīng)主要考慮它對(duì)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(diǎn)關(guān)注北美沿岸海域的受影響情況。

這項(xiàng)研究是怎樣進(jìn)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(fù)雜的特點(diǎn)，所以預(yù)測(cè)污染物在海洋中的擴(kuò)散行為是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題。

為了實(shí)現(xiàn)模擬，研究團(tuán)隊(duì)首先將放射性物質(zhì)在海洋中的擴(kuò)散拆解為3個(gè)近似獨(dú)立的子過程，分別是遷移過程、分散過程以及衰減過程。簡(jiǎn)單的說，遷移過程是指污染物隨洋流的運(yùn)動(dòng)，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(zhuǎn)化為其它物質(zhì)的過程。下面這張圖形象的表示了這3個(gè)過程所引起的污染物濃度變化。

進(jìn)一步，可以將整個(gè)海域劃分成一系列方形小區(qū)域，然后計(jì)算一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)每個(gè)區(qū)域的污染物濃度變化（3個(gè)子過程疊加），這一計(jì)算過程不斷迭代進(jìn)行，就得到了指定時(shí)刻的污染物濃度分布。為了補(bǔ)充和驗(yàn)證前面的宏觀擴(kuò)散模擬方法，研究團(tuán)隊(duì)還從微觀的角度（將污染物分解成大量的獨(dú)立微粒）進(jìn)行了核廢水排放的擴(kuò)散模擬，結(jié)果如下。 

兩種結(jié)果的對(duì)比如下圖，可以看出兩種方法得到的結(jié)果在時(shí)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(duì)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(jìn)行了類似的擴(kuò)散模擬�？梢钥吹�，鍶-89的影響范圍僅局限在北太平洋內(nèi)，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(jīng)過1200天的擴(kuò)散后，大約2/3的銫-134會(huì)發(fā)生衰變，而鍶-89的總量已經(jīng)不到初始值的千萬(wàn)分之一了。 

關(guān)于福島核廢水，還需要研究什么？

根據(jù)日本的排放計(jì)劃，1單位氚污染物的濃度大約對(duì)應(yīng)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(xiàng)研究對(duì)于污染物長(zhǎng)期擴(kuò)散的預(yù)測(cè)、核廢水排放計(jì)劃的合理應(yīng)對(duì)以及后續(xù)放射性物質(zhì)濃度的監(jiān)測(cè)仍具有重要意義。

在該研究的基礎(chǔ)上，還需要通過進(jìn)一步試驗(yàn)來探究生態(tài)環(huán)境對(duì)于放射性物質(zhì)的敏感性，確定放射性物質(zhì)濃度增加對(duì)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(duì)于整個(gè)海洋和人類的影響。

這項(xiàng)研究成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review, NSR），關(guān)于研究的詳細(xì)內(nèi)容，感興趣的讀者可以參考文后的論文鏈接。清華大學(xué)深圳國(guó)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