日本福島核事故海水中放射性核素擴散模型研究

高常飛　劉軍

摘要 [目的]研究日本福島核事故放射性廢水對海洋環境的影響。[方法]根據已知排放量的放射性核素Cs137，通過擴散定律建立物理模型進行數學模擬，預測放射性核素濃度與排放點距離及時間的變化規律。[結果]放射性廢水最初在福島周圍海域的放射性核素Cs137濃度很大，在排放結束后一段時間內隨著核素的擴散稀釋作用，海水中Cs137濃度迅速減小，但較低劑量核素將持續存在。[結論]該研究為福島核事故對海洋生態環境影響及人類照射危害提供理論依據。

關鍵詞 福島核事故；擴散定律；數學模擬；放射性核素

中圖分類號 S181.3；X703 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）11-03330-04

Abstract [Objective] To study the effects of nuclear accident in Fukushima radioactive waste water on the marine environment. [Method] According to the known emissions radionuclide Cs137， through the law of diffusion， the physical model was established to simulate， predicting the changing rules of radionuclide concentration and discharge time and distance. [Result] Diffusion model results show that， in the seawater around Fukushima radioactive wastewater initial Cs137 concentration of radionuclides， in the discharge end after a period of time with nuclide diffusion and dilution effect， decreased Cs137 concentrations in seawater， but a lower dose of radionuclide will continue to exist. [Conclusion] The study provides a theoretical basis for the effect of the Fukushima nuclear accident on the marine ecological environment and human exposure to hazards.

Key words Fukushima nuclear accident； Law of diffusion； Mathematical simulation； Radioactive nuclide

2011年3月11日，日本福島核事故震驚全球，核電廠事故引起的核物質泄漏給全球生態環境造成了巨大危害。據國際原子能機構（IAEA）對日本福島核事故收集資料顯示[1]，4 月2 日日本福島第一核電站二號機組的高濃度放射性污水滲出反應堆在未經處理的情況下直接流入太平洋，4 月4 日晚開始將低濃度放射性污水排放到太平洋（圖1）。據估計，輻射值超過日本法定限度 750 萬倍的污水泄漏總量估計達 520 t，放射性活度達5 000 萬億Bq；低放射性污水向海中排放，日本官方向 IAEA 報告排放11 500 t，排放的放射性物質活度總計達1 500 億Bq；其中從廢物處理設備中排放 10 000 t，從5 號和 6號機組附近的排水井中排放1 500 t。這些放射性廢水中的放射性核素隨海水的擴散、遷移、沉積，將導致日本近海海洋環境放射性水平的嚴重異常，甚至危害全球海洋生態環境。

海洋放射性污染具有持續性、無法處理性、污染廣闊性和潛伏性。海洋放射污染嚴重危害人體健康，一定量放射性物質進入人體后，既具有生物化學毒性，又能以它的輻射作用造成人體損傷。其次，海洋放射性污染也嚴重危及水生生物生存，導致生物自身發生基因突變，污染海洋生物群的基因庫；微量的放射性元素會在水生生物體內富集，從而污染重的食物鏈。此外，海洋放射性污染還嚴重威脅海洋生態系統，會導致水生生物大量死亡，破壞海洋中生物的多樣性，甚至造成海洋生態系統的癱瘓。來自日本官方的說法是放射性廢物可以很快被海水稀釋，不會對海洋生態產生很大問題。日本某官員公開表示，排放的影響范圍主要是日本近岸海域，海岸1 km以外的魚類是安全的。但美國專家明確指出“一公里安全線”在現實世界中是根本不存在的，因海洋活動具有流動性，認為距離海岸線特定距離的魚類是安全的說法顯然無法得到支持。我國海水樣品分析結果證實了這一點。根據國家海洋局公布的監測結果，從位于日本福島以東的25.2萬km2公海海域取得的首批海水樣品中，全部檢出了放射性核素銫-137、鍶-90以及正常情況下海水中無法檢出的銫-134，表明日本以東及東南方向的西太平洋海域已受到福島核泄漏事故的顯著影響。為了模擬已知排放量的放射性核素Cs137放射性廢水排放影響，筆者通過擴散定律建立物理模型進行數學模擬，預測放射性核素濃度與排放點距離及時間的變化規律，有利于人類掌握海洋環境遭受放射性廢水污染程度，并及時做出相應的應對防護措施。

利用上式的擴散模型活度濃度公式進行Matlab模擬，獲得相關擴散模型圖及相關數據結果（圖2），遠離海岸線（x，y）選定范圍為x為500～2 000 m、y為0～1 000 m（x為沿海岸線上離排放點的距離，y為垂直于海岸線方向離排放點的距離）。由圖2可知，在近海海域放射性核素擴散速度隨離排放點距離的逐漸遠離而逐漸遞減，這與我國海水監測結果趨于一致。

模型2選定范圍為1 000 m內的擴散，利用此公式進行Matlab模擬及Excel計算，根據計算結果制作擴散模型（圖3），還給出了100、500 m處10 h內的擴散（圖4），以便做出比較。同時，通過Excel對模型2進行模擬計算，計算結果如表1所示，模擬擴散圖如圖5～6所示。 通過模型分析計算結果及以上圖表數據可以

發現，在最初排放的幾天里福島周圍海域的放射性污染濃度水平是相當高的，這將嚴重影響周圍的海洋生態環境，約在1 d后137Cs的濃度就會非常小；距排放點r處的放射性濃度隨時間先增加后減小，這是因為由于前方的核素逐漸向該點擴散使得濃度逐漸增加，隨著時間的推移擴散至該點的核素越來越少，同時由于海水的巨大稀釋作用使得該點核素濃度逐漸減小[5]。

3 結論

（1）在最初排放的幾天里福島周圍海域的放射性污染濃度水平是相當高的，這將嚴重影響周圍的海洋生態環境。

（2）排放結束后隨著洋流的運動、稀釋，核素濃度水平將迅速減小，從模型2的數據可以看出約在1 d后137Cs的濃度就會非常小。但這只是對137Cs的污染狀況進行的研究，沒有考慮其他核素的影響，同時由于地域差異，不同區域的放射性污染水平也會有一定的差異。因此，此次福島核廢水的污染情況仍然需要大量的工作來對其進行評價。

（3）福島核事故已經過去很長一段時間，但其產生的影響將是長期存在的，它將時刻影響人類的生產生活狀況，有必要加強對周圍海域的放射性水平的監測力度，以減少對人類的照射危害。

參考文獻

[1] 伍浩松.福島第一核電站現狀[J]. 國外核新聞，2011（6）：7-10.

[2] 任天山，程建平，朱立，等.環境與輻射[M].北京：原子能出版社，2007.

[3] 宋妙發，強亦忠.核環境學基礎[M].北京：原子能出版社，1999.

[4] 潘自強，葉常青，張延生，等.電離輻射防護與輻射源安全基本標準，GB18871-2002[S].北京：中國標準出版社，2003.

[5] 周銀行，郭洪波，雷家榮，等.微量放射性核素在核事故應急響應期間的監測與評價[C]//全國危險物質與安全應急技術研討會論文集.《含能材料》編輯部，2011.