清华大学模拟日本核废水扩散过程：揭示福岛核废水离我们到底有多远

　　日本政府计划从2023年开始将福岛核废水排放到太平洋中，这一决策引发了周边国家乃至全球对于损害人体健康以及污染生态环境等问题的担忧。福岛核废水离我们到底有多远？为了回答这一问题，清华大学的研究团队对福岛核废水的扩散过程进行了模拟，并以动画的形式展现了废水中主要放射性物质——氚的扩散过程。

　　为什么要进行这项研究？

　　2021年4月13日，为了缓解日益增长的核废水存储压力，日本内阁会议正式通过了将福岛核废水排放入海的议案。众所周知，相比于化石燃料，核燃料有着能量密度高、环境污染小、发电成本低等优点，但也存在着许多潜在的安全问题。例如，在著名的切尔诺贝利事故中，就有上万人因核辐射而罹患癌症、免疫缺陷等疾病甚至死亡，辐射尘所带来的环境污染更是难以估量。

　　尽管日本政府表示，经过处理后的污水中基本不存在除氚以外的放射性核素，并且氚的浓度也会降低到相关标准的1/40。但是，核废水排放之后怎样扩散，这些放射性物质会去到哪里，对周边国家或者整个太平洋又有什么影响？这些问题都还没有答案。

　　此外，放射性物质产生的负面影响可能是长期的，日本政府计划的核废水排放将持续30-40年，在这么长的时间里，是否会出现放射性物质的聚集也是个未知数。所以，对福岛核废水的扩散过程进行模拟是非常有必要的。

　　模拟结果告诉我们什么？

　　模拟结果揭示了福岛核废水离我们有多远。以我国为例，放射性物质最早出现在台湾东侧海域，对应的时间点大约是核废水开始排放后第8个月，之后污染物将迅速覆盖我国的东南沿岸海域，并逐渐向东海和渤海扩散。

　　在排放后的第1200天（3.3年），污染物扩散到加拿大和美国的西侧海域，而澳大利亚的北部也出现了一部分污染物，此时几乎整个北太平洋都被污染物覆盖。

　　随后的扩散过程也主要与上述两处地点相关，放射性物质在赤道洋流的作用下沿美洲海岸向南太平洋快速扩散，同时也通过澳大利亚北部海域向印度洋转移。

　　由于排放口位于福岛，毫无疑问日本附近的海域会最先受到污染，但是不是东亚沿岸海域的污染物水平就更高呢？细心的读者可能已经发现，排放的核废水其实主要向东扩散，太平洋西侧的受污染程度似乎要低一些。从上面的污染物浓度分布图可以看出，在第2800天时，中国东南沿岸海域主要呈现浓度较低的浅粉色，而北美西侧海域已经基本被浓度较高的红色所覆盖。

　　为了更清楚的展现对比结果，研究人员选取了日本宫崎、中国上海和美国圣迭戈3个沿海城市，并绘制了它们附近海域的氚浓度变化曲线，结果如下。

　　在这三个城市中，出现污染物的先后顺序是宫崎（蓝色线条）、上海（黄色线条）以及圣迭戈（紫色线条），这主要由它们到福岛的距离决定。根据三条曲线的趋势，可以发现各区域的污染物浓度在开始时增长比较迅速，但在后期逐渐趋于平稳，如宫崎附近的污染物浓度在2000天后基本稳定在0.003个单位上下。值得关注的是，尽管圣迭戈出现污染物的时间是最晚的，但是其稳定浓度甚至比宫崎还要高。在第4000天时，圣迭戈附近海域的污染物浓度大约为0.01个单位，这一数值已经超过了东亚的绝大部分沿海区域，是宫崎的3倍左右、上海的40倍左右。

　　出现这一现象的原因是日本附近强烈的洋流作用——具体来说，福岛处于日本暖流（向北）和千岛寒流（向南）交汇的地方，所以大部分污染物不会沿着陆地边缘向南北方向迁移，而是随着北太平洋暖流向东扩散。这一结果也意味着，在核废水排放的早期，应主要考虑它对亚洲沿岸的影响，但在后期，由于北美沿岸海域的污染物浓度将持续高于大部分东亚沿岸海域，需要重点关注北美沿岸海域的受影响情况。

　　这项研究是怎样进行的？

　　前面介绍了研究的主要成果，那么这些成果是怎样得到的，可靠性又如何呢？我们知道，海洋有着面积巨大、环境变化复杂的特点，所以预测污染物在海洋中的扩散行为是一个极具挑战性的问题。

　　为了实现模拟，研究团队首先将放射性物质在海洋中的扩散拆解为3个近似独立的子过程，分别是迁移过程、分散过程以及衰减过程。简单的说，迁移过程是指污染物随洋流的运动，分散过程是指污染物从高浓度区向低浓度区的输送，衰减过程是指污染物由于自身的分解、衰变等转化为其它物质的过程。下面这张图形象的表示了这3个过程所引起的污染物浓度变化。

　　进一步，可以将整个海域划分成一系列方形小区域，然后计算一个时间步长内每个区域的污染物浓度变化（3个子过程叠加），这一计算过程不断迭代进行，就得到了指定时刻的污染物浓度分布。为了补充和验证前面的宏观扩散模拟方法，研究团队还从微观的角度（将污染物分解成大量的独立微粒）进行了核废水排放的扩散模拟，结果如下。

　　两种结果的对比如下图，可以看出两种方法得到的结果在时间、空间上都是一致的，这也印证了分析方法的可行性。

　　此外，针对其他可能的放射性核素，例如半衰期为2.06年的铯-134和半衰期为50.5天的锶-89，研究人员也进行了类似的扩散模拟。可以看到，锶-89的影响范围仅局限在北太平洋内，这是由其较短的半衰期决定的。从福岛出发的核废水在经过1200天的扩散后，大约2/3的铯-134会发生衰变，而锶-89的总量已经不到初始值的千万分之一了。

　　关于福岛核废水，还需要研究什么？

　　根据日本的排放计划，1单位氚污染物的浓度大约对应0.29Bq/m3，相比于氚在海洋中的背景浓度来说不算很大。尽管如此，这项研究对于污染物长期扩散的预测、核废水排放计划的合理应对以及后续放射性物质浓度的监测仍具有重要意义。

　　在该研究的基础上，还需要通过进一步试验来探究生态环境对于放射性物质的敏感性，确定放射性物质浓度增加对于海洋生态环境和人类生活环境的影响程度，从而最终判断排放核废水这一行为对于整个海洋和人类的影响。

　　这项研究成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），清华大学深圳国际研究生院博士研究生刘毅为论文第一作者，胡振中副教授和张建民院士为共同通讯作者，合作作者还包括硕士研究生郭雪卿和助理教授李孙伟。