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。
2021年4⽉13⽇，为了缓解⽇益增⻓的核废⽔存储压⼒，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，在著名的切尔诺⻉利事故中，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⻓期的，⽇本政府计划的核废⽔排放将持续30-40年，在这么⻓的时间⾥，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⻄侧海域，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，太平洋⻄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，⽽北美⻄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（⻩⾊线条）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⻓⽐较迅速，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。
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⻓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⻆度（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。
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⻓期扩散的预测、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），关于研究的详细内容，感兴趣的读者可以参考⽂后的论⽂链接。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⺠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。本⽂经授权转载⾃微信公众号“中国科学杂志社”。