日本福岛核事故海水中放射性核素扩散模型研究

高常飞　刘军

摘要 [目的]研究日本福岛核事故放射性废水对海洋环境的影响。[方法]根据已知排放量的放射性核素Cs137，通过扩散定律建立物理模型进行数学模拟，预测放射性核素浓度与排放点距离及时间的变化规律。[结果]放射性废水最初在福岛周围海域的放射性核素Cs137浓度很大，在排放结束后一段时间内随着核素的扩散稀释作用，海水中Cs137浓度迅速减小，但较低剂量核素将持续存在。[结论]该研究为福岛核事故对海洋生态环境影响及人类照射危害提供理论依据。

关键词 福岛核事故；扩散定律；数学模拟；放射性核素

中图分类号 S181.3；X703 文献标识码 A 文章编号 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，日本福岛核事故震惊全球，核电厂事故引起的核物质泄漏给全球生态环境造成了巨大危害。据国际原子能机构（IAEA）对日本福岛核事故收集资料显示[1]，4 月2 日日本福岛第一核电站二号机组的高浓度放射性污水渗出反应堆在未经处理的情况下直接流入太平洋，4 月4 日晚开始将低浓度放射性污水排放到太平洋（图1）。据估计，辐射值超过日本法定限度 750 万倍的污水泄漏总量估计达 520 t，放射性活度达5 000 万亿Bq；低放射性污水向海中排放，日本官方向 IAEA 报告排放11 500 t，排放的放射性物质活度总计达1 500 亿Bq；其中从废物处理设备中排放 10 000 t，从5 号和 6号机组附近的排水井中排放1 500 t。这些放射性废水中的放射性核素随海水的扩散、迁移、沉积，将导致日本近海海洋环境放射性水平的严重异常，甚至危害全球海洋生态环境。

海洋放射性污染具有持续性、无法处理性、污染广阔性和潜伏性。海洋放射污染严重危害人体健康，一定量放射性物质进入人体后，既具有生物化学毒性，又能以它的辐射作用造成人体损伤。其次，海洋放射性污染也严重危及水生生物生存，导致生物自身发生基因突变，污染海洋生物群的基因库；微量的放射性元素会在水生生物体内富集，从而污染重的食物链。此外，海洋放射性污染还严重威胁海洋生态系统，会导致水生生物大量死亡，破坏海洋中生物的多样性，甚至造成海洋生态系统的瘫痪。来自日本官方的说法是放射性废物可以很快被海水稀释，不会对海洋生态产生很大问题。日本某官员公开表示，排放的影响范围主要是日本近岸海域，海岸1 km以外的鱼类是安全的。但美国专家明确指出“一公里安全线”在现实世界中是根本不存在的，因海洋活动具有流动性，认为距离海岸线特定距离的鱼类是安全的说法显然无法得到支持。我国海水样品分析结果证实了这一点。根据国家海洋局公布的监测结果，从位于日本福岛以东的25.2万km2公海海域取得的首批海水样品中，全部检出了放射性核素铯-137、锶-90以及正常情况下海水中无法检出的铯-134，表明日本以东及东南方向的西太平洋海域已受到福岛核泄漏事故的显著影响。为了模拟已知排放量的放射性核素Cs137放射性废水排放影响，笔者通过扩散定律建立物理模型进行数学模拟，预测放射性核素浓度与排放点距离及时间的变化规律，有利于人类掌握海洋环境遭受放射性废水污染程度，并及时做出相应的应对防护措施。

利用上式的扩散模型活度浓度公式进行Matlab模拟，获得相关扩散模型图及相关数据结果（图2），远离海岸线（x，y）选定范围为x为500～2 000 m、y为0～1 000 m（x为沿海岸线上离排放点的距离，y为垂直于海岸线方向离排放点的距离）。由图2可知，在近海海域放射性核素扩散速度随离排放点距离的逐渐远离而逐渐递减，这与我国海水监测结果趋于一致。

模型2选定范围为1 000 m内的扩散，利用此公式进行Matlab模拟及Excel计算，根据计算结果制作扩散模型（图3），还给出了100、500 m处10 h内的扩散（图4），以便做出比较。同时，通过Excel对模型2进行模拟计算，计算结果如表1所示，模拟扩散图如图5～6所示。 通过模型分析计算结果及以上图表数据可以

发现，在最初排放的几天里福岛周围海域的放射性污染浓度水平是相当高的，这将严重影响周围的海洋生态环境，约在1 d后137Cs的浓度就会非常小；距排放点r处的放射性浓度随时间先增加后减小，这是因为由于前方的核素逐渐向该点扩散使得浓度逐渐增加，随着时间的推移扩散至该点的核素越来越少，同时由于海水的巨大稀释作用使得该点核素浓度逐渐减小[5]。

3 结论

（1）在最初排放的几天里福岛周围海域的放射性污染浓度水平是相当高的，这将严重影响周围的海洋生态环境。

（2）排放结束后随着洋流的运动、稀释，核素浓度水平将迅速减小，从模型2的数据可以看出约在1 d后137Cs的浓度就会非常小。但这只是对137Cs的污染状况进行的研究，没有考虑其他核素的影响，同时由于地域差异，不同区域的放射性污染水平也会有一定的差异。因此，此次福岛核废水的污染情况仍然需要大量的工作来对其进行评价。

（3）福岛核事故已经过去很长一段时间，但其产生的影响将是长期存在的，它将时刻影响人类的生产生活状况，有必要加强对周围海域的放射性水平的监测力度，以减少对人类的照射危害。

参考文献

[1] 伍浩松.福岛第一核电站现状[J]. 国外核新闻，2011（6）：7-10.

[2] 任天山，程建平，朱立，等.环境与辐射[M].北京：原子能出版社，2007.

[3] 宋妙发，强亦忠.核环境学基础[M].北京：原子能出版社，1999.

[4] 潘自强，叶常青，张延生，等.电离辐射防护与辐射源安全基本标准，GB18871-2002[S].北京：中国标准出版社，2003.

[5] 周银行，郭洪波，雷家荣，等.微量放射性核素在核事故应急响应期间的监测与评价[C]//全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集.《含能材料》编辑部，2011.