日本福島核事故海水中放射性核素?cái)U(kuò)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(duì)海洋環(huán)境的影響。[方法]根據(jù)已知排放量的放射性核素Cs137，通過(guò)擴(kuò)散定律建立物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，預(yù)測(cè)放射性核素濃度與排放點(diǎn)距離及時(shí)間的變化規(guī)律。[結(jié)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(jié)束后一段時(shí)間內(nèi)隨著核素的擴(kuò)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(xù)存在。[結(jié)論]該研究為福島核事故對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響及人類照射危害提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 福島核事故；擴(kuò)散定律；數(shù)學(xué)模擬；放射性核素

中圖分類號(hào) S181.3；X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(zhì)泄漏給全球生態(tài)環(huán)境造成了巨大危害。據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）對(duì)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(hào)機(jī)組的高濃度放射性污水滲出反應(yīng)堆在未經(jīng)處理的情況下直接流入太平洋，4 月4 日晚開(kāi)始將低濃度放射性污水排放到太平洋（圖1）。據(jù)估計(jì)，輻射值超過(guò)日本法定限度 750 萬(wàn)倍的污水泄漏總量估計(jì)達(dá) 520 t，放射性活度達(dá)5 000 萬(wàn)億Bq；低放射性污水向海中排放，日本官方向 IAEA 報(bào)告排放11 500 t，排放的放射性物質(zhì)活度總計(jì)達(dá)1 500 億Bq；其中從廢物處理設(shè)備中排放 10 000 t，從5 號(hào)和 6號(hào)機(jī)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(kuò)散、遷移、沉積，將導(dǎo)致日本近海海洋環(huán)境放射性水平的嚴(yán)重異常，甚至危害全球海洋生態(tài)環(huán)境。

海洋放射性污染具有持續(xù)性、無(wú)法處理性、污染廣闊性和潛伏性。海洋放射污染嚴(yán)重危害人體健康，一定量放射性物質(zhì)進(jìn)入人體后，既具有生物化學(xué)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(yán)重危及水生生物生存，導(dǎo)致生物自身發(fā)生基因突變，污染海洋生物群的基因庫(kù)；微量的放射性元素會(huì)在水生生物體內(nèi)富集，從而污染重的食物鏈。此外，海洋放射性污染還嚴(yán)重威脅海洋生態(tài)系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)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(tài)系統(tǒng)的癱瘓。來(lái)自日本官方的說(shuō)法是放射性廢物可以很快被海水稀釋，不會(huì)對(duì)海洋生態(tài)產(chǎn)生很大問(wèn)題。日本某官員公開(kāi)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(yú)類是安全的。但美國(guó)專家明確指出“一公里安全線”在現(xiàn)實(shí)世界中是根本不存在的，因海洋活動(dòng)具有流動(dòng)性，認(rèn)為距離海岸線特定距離的魚(yú)類是安全的說(shuō)法顯然無(wú)法得到支持。我國(guó)海水樣品分析結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)。根據(jù)國(guó)家海洋局公布的監(jiān)測(cè)結(jié)果，從位于日本福島以東的25.2萬(wàn)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(wú)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(guò)擴(kuò)散定律建立物理模型進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，預(yù)測(cè)放射性核素濃度與排放點(diǎn)距離及時(shí)間的變化規(guī)律，有利于人類掌握海洋環(huán)境遭受放射性廢水污染程度，并及時(shí)做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)防護(hù)措施。

利用上式的擴(kuò)散模型活度濃度公式進(jìn)行Matlab模擬，獲得相關(guān)擴(kuò)散模型圖及相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果（圖2），遠(yuǎn)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(diǎn)的距離，y為垂直于海岸線方向離排放點(diǎn)的距離）。由圖2可知，在近海海域放射性核素?cái)U(kuò)散速度隨離排放點(diǎn)距離的逐漸遠(yuǎn)離而逐漸遞減，這與我國(guó)海水監(jiān)測(cè)結(jié)果趨于一致。

模型2選定范圍為1 000 m內(nèi)的擴(kuò)散，利用此公式進(jìn)行Matlab模擬及Excel計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果制作擴(kuò)散模型（圖3），還給出了100、500 m處10 h內(nèi)的擴(kuò)散（圖4），以便做出比較。同時(shí)，通過(guò)Excel對(duì)模型2進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示，模擬擴(kuò)散圖如圖5～6所示。 通過(guò)模型分析計(jì)算結(jié)果及以上圖表數(shù)據(jù)可以

發(fā)現(xiàn)，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(dāng)高的，這將嚴(yán)重影響周圍的海洋生態(tài)環(huán)境，約在1 d后137Cs的濃度就會(huì)非常??；距排放點(diǎn)r處的放射性濃度隨時(shí)間先增加后減小，這是因?yàn)橛捎谇胺降暮怂刂饾u向該點(diǎn)擴(kuò)散使得濃度逐漸增加，隨著時(shí)間的推移擴(kuò)散至該點(diǎn)的核素越來(lái)越少，同時(shí)由于海水的巨大稀釋作用使得該點(diǎn)核素濃度逐漸減小[5]。

3 結(jié)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(dāng)高的，這將嚴(yán)重影響周圍的海洋生態(tài)環(huán)境。

（2）排放結(jié)束后隨著洋流的運(yùn)動(dòng)、稀釋，核素濃度水平將迅速減小，從模型2的數(shù)據(jù)可以看出約在1 d后137Cs的濃度就會(huì)非常小。但這只是對(duì)137Cs的污染狀況進(jìn)行的研究，沒(méi)有考慮其他核素的影響，同時(shí)由于地域差異，不同區(qū)域的放射性污染水平也會(huì)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(lái)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（3）福島核事故已經(jīng)過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，但其產(chǎn)生的影響將是長(zhǎng)期存在的，它將時(shí)刻影響人類的生產(chǎn)生活狀況，有必要加強(qiáng)對(duì)周圍海域的放射性水平的監(jiān)測(cè)力度，以減少對(duì)人類的照射危害。

參考文獻(xiàn)

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

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[3] 宋妙發(fā)，強(qiáng)亦忠.核環(huán)境學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：原子能出版社，1999.

[4] 潘自強(qiáng)，葉常青，張延生，等.電離輻射防護(hù)與輻射源安全基本標(biāo)準(zhǔn)，GB18871-2002[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)急響應(yīng)期間的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)[C]//全國(guó)危險(xiǎn)物質(zhì)與安全應(yīng)急技術(shù)研討會(huì)論文集.《含能材料》編輯部，2011.