为了缓解日益增长的核废水存储压力，日本内阁会议于今年4月正式通过了将福岛核废水排入大海的议案，这一决定引发了周边国家乃至全球对于人体健康以及生态环境等问题的担忧。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，但核废水在排放之后将如何扩散、对周边国家乃至整个太平洋将产生哪些影响等问题均有待证实。此外，日本核废水排放计划将持续30-40年，在此期间是否会出现放射性物质聚集问题也尚未得到确认。
为解决这些疑问，我院海洋工程研究院张建民/胡振中团队从宏观和微观两种不同的角度分别建立了海洋尺度下放射性物质的扩散模型，并实现了福岛核废水排放计划的长期模拟。
氚的宏观扩散模拟结果
宏观模拟结果表明，核废水在排放后240天就会到达我国沿岸海域，1200天后将到达北美沿岸并覆盖几乎整个北太平洋。随后，污染物一边在赤道洋流的作用下沿着美洲海岸向南太平洋快速扩散，另一边通过澳大利亚北部海域向印度洋转移。值得注意的是，尽管污染物的排放位置是在福岛附近，但随着时间的推移，污染物高浓度区域将沿着35°N线附近向东延伸，从开始的东亚附近海域扩散到北美附近海域。在第2400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覆盖。
3个沿海城市及它们附近的污染物浓度变化
研究人员进一步选取了日本宫崎、中国上海和美国圣迭戈这3个沿海城市进行对比，从污染物浓度变化曲线图中可以发现，在第4000天时圣迭戈附近的污染物浓度大约为0.01个单位，这一数值已经是宫崎的3倍左右、上海的40倍左右。出现这一现象的原因主要是日本附近强烈的洋流作用，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。
氚的微观扩散模拟结果
除宏观扩散外，研究人员还从微观角度进行了氚的扩散模拟。与宏观扩散分析注重污染物的整体分布不同，微观扩散分析更加关注污染物个体的行为，也因此它能够支持污染物的扩散路径分析。例如，对模拟结果中到达沿岸海域的某3个污染物微粒，以400天为取样间隔，得到它们的运动轨迹。基于这些运动轨迹，可以知道美洲沿岸海域的污染物主要通过横跨太平洋到达。
部分污染微粒的运动轨迹
值得注意的是，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大。然而，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。
相关成果近日以《福岛核事故处理水的排放——宏观与微观模拟》（Discharge of treated Fukushima nuclear accident contaminated water: macroscopic and microscopic simulations）为题发表在《国家科学评论》（National Science Review）期刊上。清华大学深圳国际研究生院海洋工程研究院2020级博士生刘毅和2020级硕士生郭雪卿为论文的第一、第二作者，胡振中副教授和张建民院士为论文的共同通讯作者，论文作者还包括李孙伟助理教授。该研究得到了深圳市规划国土资源委员会和深圳市海洋智能感知与计算重点实验室的支持。
论文链接：
https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwab209/6442253
文：袁静
图：刘毅、郭雪卿
编辑：叶思佳
头图设计：吴宇涛
