清華大學模擬日本核廢水擴散過程：揭示福島核廢水離我們到底有多遠

　　日本政府計劃從2023年開始將福島核廢水排放到太平洋中，這一決策引發了周邊國家乃至全球對于損害人體健康以及污染生態環境等問題的擔憂。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、環境污染小、發電成本低等優點，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30-40年，在這么長的時間里，是否會出現放射性物質的聚集也是個未知數。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現，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。根據三條曲線的趨勢，可以發現各區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，如宮崎附近的污染物濃度在2000天后基本穩定在0.003個單位上下。值得關注的是，盡管圣迭戈出現污染物的時間是最晚的，但是其穩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，這一數值已經超過了東亞的絕大部分沿海區域，是宮崎的3倍左右、上海的40倍左右。

　　出現這一現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性的問題。

　　為了實現模擬，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向低濃度區的輸送，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域，然后計算一個時間步長內每個區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。可以看到，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。從福島出發的核廢水在經過1200天的擴散后，大約2/3的銫-134會發生衰變，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放射性物質濃度的監測仍具有重要意義。

　　在該研究的基礎上，還需要通過進一步試驗來探究生態環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環境和人類生活環境的影響程度，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。

　　這項研究成果發表于《國家科學評論》（National Science Review, NSR），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。