地球科学进展

地球科学进展 ›› 2024, Vol. 39 ›› Issue (1): 23 -33. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.001

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福岛核污染水中的人工放射性核素及其在海洋环境中的迁移转化行为
张福乐 1 , 2( ), 王锦龙 1( ), 黄德坤 2, 于涛 2, 杜金洲 1   
  1. 1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室, 上海 200241
    2.自然资源部第三海洋研究所, 福建 厦门 361005
  • 收稿日期:2023-08-29 修回日期:2023-12-10 出版日期:2024-01-10
  • 通讯作者: 王锦龙 E-mail:zhangfule@tio.org.cn;jlwang@sklec.ecnu.edu.cn
  • 基金资助:
    福建省海洋物理与地质过程重点实验室开放基金项目(KLMPG-22-01);中国博士后科学基金项目(2022M723708)

Artificial Radionuclides in the Fukushima Nuclear Contaminated Water and Their Migration and Transformation Behaviors in the Marine Environment

Fule ZHANG 1 , 2( ), Jinlong WANG 1( ), Dekun HUANG 2, Tao YU 2, Jinzhou DU 1   

  1. 1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China
    2.Third Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resource, Xiamen Fujian 361005, China
  • Received:2023-08-29 Revised:2023-12-10 Online:2024-01-10 Published:2024-01-26
  • Contact: Jinlong WANG E-mail:zhangfule@tio.org.cn;jlwang@sklec.ecnu.edu.cn
  • About author:ZHANG Fule, Associate professor, research area includes isotopic oceanography. E-mail: zhangfule@tio.org.cn
  • Supported by:
    the Fujian Provincial Key Laboratory of Marine Physical and Geological Processes(KLMPG-22-01);The China Postdoctoral Science Foundation(2022M723708)
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2023年8月24日，日本政府启动福岛核污染水排海，这将进一步增加对海洋生态环境的辐射风险。分析了福岛核污染水中主要人工放射性核素的浓度，估算了其在福岛核污染水中的储量。根据东京电力公司公布的数据发现，截至2023年3月，福岛核污染水储罐中3H的浓度为1.9×105~25.0×105 Bq/L，明显超出日本法律允许的3H的最大排放浓度（6×104 Bq/L）；部分核污染水储罐中90Sr和129I的浓度也高于日本法律允许的90Sr和129I的最大排放浓度（30 Bq/L和9 Bq/L）。经估算，在排海前福岛核污染水中3H和129I的储量分别为0.9 PBq和6.2×109 Bq，这与核事故阶段3H和129I泄漏到海洋中的量（0.1~1.0 PBq和6.9×109 Bq）相当。此外，进一步对福岛核污染水中典型放射性核素（如3H、14C、60Co、90Sr、129I、134，137Cs和239，240Pu等）在海洋环境中的迁移转化行为进行了论述，重点介绍了福岛放射性核素在太平洋海域的迁移路径，及其在海洋沉积物上的吸附和海洋生物中的富集行为。期望为中国应对福岛核污染水排海提供一定的科学依据和见解。

关键词: 福岛核污染水, 人工放射性核素, 洋流输运, 沉积物吸附, 生物富集

On August 24, 2023, the Japanese government started discharging the Fukushima Nuclear Contaminated Water (FNCW) into the North Pacific. This process is bound to pose radiation risks for the marine ecological environment. In this study, we analyzed the concentrations of major artificial radionuclides in the FNCW and estimated their inventories. Based on the data provided by the Tokyo Electric Power Company, we found that the concentrations of 3H in FNCW tanks as of March 2023 ranged from 1.9×105 to 25.0×105 Bq/L, significantly exceeding the maximum release concentration for 3H (6×104 Bq/L) allowed by Japanese law. In addition, the concentrations of 90Sr and 129I in some FNCW tanks were higher than the corresponding maximum release concentrations (30 Bq/L for 90Sr and 9 Bq/L for 129I) allowed by Japanese law. The inventories of 3H and 129I in the FNCW before the discharge were estimated to be 0.9 and 6.2×109 Bq, respectively, i.e., comparable to the leakage amounts of 3H (0.1~1.0 PBq) and 129I (6.9×109 Bq) to the ocean during the nuclear accident stage. We further discuss the migration and behavior of typical Fukushima radionuclides (e.g., 3H, 14C, 60Co, 90Sr, 129I, 134, 137Cs, and 239, 240Pu) in marine environments from three aspects: ① transport of Fukushima radionuclides by ocean currents in the Pacific; ② sediment adsorption to radionuclides; and ③ marine biota uptake of radionuclides. This study is expected to provide scientific foundations and insights for radiation monitoring and risk assessment, which may be required for an appropriate response to the discharge of the FNCW.

Key words: Fukushima Nuclear Contaminated Water, Artificial radionuclides, Ocean current transport, Sediment adsorption, Marine biota uptake

中图分类号: 

图1 以“福岛”为关键词的百度搜索指数
Fig. 1 Baidu search index with “Fukushima” as the keyword
表1 福岛核污染水中典型放射性核素的基本信息
Table 1 Basic information of the typical radionuclides in the Fukushima Nuclear Contaminated Water （ FNCW）
毒性分组［ 10 ］ 放射性核素 物理半衰期/a 衰变类型 WHO推荐的饮用水中核素的限制浓度/（Bq/L）［ 11 ］ 有效剂量系数/（Sv/Bq）［ 12 ］
低毒组 3H 12.35 β- 10 000 3.0×10-11
99Tc 211 000 β-， γ 100 6.4×10-10
中毒组 14C 5 730 β- 100 5.8×10-10
125Sb 2.77 β-， γ 100 1.1×10-9
137Cs 30.1 β-， γ 10 1.3×10-8
134Cs 2.06 β-， γ 10 1.9×10-8
高毒组 60Co 5.27 β-， γ 100 3.4×10-9
106Ru 1.01 β- 10 7.0×10-9
90Sr 28.8 β- 10 2.8×10-8
129I 1.57×107 β- 1 1.1×10-7
极毒组 241Am 432.2 α， γ 1 2.0×10-7
239Pu 24 065 α 1 2.5×10-7
240Pu 6 537 α 1 2.5×10-7
图2 2023年3月31日福岛核污染水中放射性核素浓度水平［ 14 ］
实线和虚线分别代表世界卫生组织推荐的饮用水中各核素的限制浓度和日本法律允许的最大排放浓度
Fig. 2 Box and whisker plots of radionuclide levels in the Fukushima Nuclear Contaminated Water （as of March 31， 2023）［ 14 ］
The solid line and dashed line indicate the limitation concentration of radionuclides in drinking-water recommended by WHO and maximum release concentrations allowed by Japanese law
表2 福岛核污染水中各放射性核素的储量及其与福岛核事故中各核素向海洋泄漏量的对比
Table 2 The estimated inventories of the radionuclides in the Fukushima Nuclear Contaminated Water and their comparison with the total release to the ocean during the Fukushima nuclear accident
放射性核素 福岛核污染水中核素的储量/PBq 福岛核事故中泄漏到海洋的总量/PBq 参考文献
3H 0.9 （0.1~1）×100 ［ 15 - 16 ］
14C 5.1×10-5 — —
90Sr 6.2×10-4 （0.04~1）×100 ［ 17 - 18 ］
99Tc 1.8×10-6 — —
106Ru 2.3×10-6 — —
125Sb 1.5×10-6 — —
129I 6.2×10-6 6.9×10-6 ［ 19 ］
134Cs 3.0×10-7 15~30 ［ 20 - 23 ］
137Cs 8.2×10-7 15~30 ［ 20 - 23 ］
60Co 9.3×10-7 — —
图3 北太平洋洋流示意图以及福岛核事故后 134Cs和 137Cs的观测数据［ 21 ， 26 - 30 ］
Fig. 3 Ocean circulations in the North Pacific and the observational data of 134Cs and 137Cs after the Fukushima nuclear accident［ 21 ， 26 - 30 ］
表3 各放射性核素在海洋沉积物的分配系数（ Kd ） (L/kg)
Table 3 Distribution coefficient （ Kd ） of radionuclides in marine sediments
核素 开阔大洋［ 45 ］ 边缘海［ 45 ］ 日本沿岸［ 46 ］ 卡拉海［ 47 ］ Stepovogo湾［ 48 ］ Abrosimov湾［ 48 ］ 大亚湾［ 49 - 50 ］ 东海近岸［ 51 ］
3H 1×100 1×100 — — — — — —
90Sr 2×102 8×100 0.1×101~1.2×101 0.4×101~30×101 — 0.2×101~13×101 1.6×102 3.3×102
129I 2×102 7×101 0.4×101~2.8×101 4×101 — — — —
99Tc 1×102 1×102 — — — — — —
14C 2×103 1×103 — — — — — —
134，137Cs 2×103 4×103 1×103~100×103 0.1×103~20×103 0.3×103~1×103 0.2×103~1×103 3.3×102 1×103
125Sb 4×103 2×103 — 0.2×103~20×103 — — — —
106Ru 1×103 4×104 — 2.0×104~4.0×104 — 4×103~9×103 2.4×104 —
60Co 5×107 3×105 0.2×105~11×105 0.01×105~7×105 1.2×106~1.9×106 1×103~5×103 6.4×103 4×102
239，240Pu 1×105 1×105 — 0.8×105~2×105 — — — —
241Am 2×106 2×106 — 0.1×106~3×106 5.5×105~7.5×105 0.1×106~3×106 — —
图4 国际原子能机构推荐的放射性核素在不同海洋生物中的富集因子［ 45 ］
Fig. 4 Concentration factors for different marine organisms recommended by International Atomic Energy Agency［ 45 ］
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