Posiva mallintaa Olkiluodon kallioperän pohjavesikemiaa supertietokoneella
Posiva Oy on käynnistänyt projektin, jossa käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoitusalueen kallioperän pohjavesikemiaa mallinnetaan pitkälle tulevaisuuteen maailman tehokkaimpiin kuuluvalla tietokoneella.
Kyseessä on todennäköisesti haasteellisin tähän mennessä tehty pohjavesikemian mallinnus koko maailmassa. Sen tavoitteena on varmistaa tasapaino pitkäaikaisturvallisuuden ja taloudellisen kestävyyden välillä. Tämä mahdollistaa teollisen loppusijoituksen pitkälle tulevaisuuteen.
Lasse Koskinen ja Tiina Lamminmäki
Ydinjätteen loppusijoitusalueen kallioperää ja sen pohjavesikemiaa on tutkittu ja mallinnettu Olkiluodossa neljän vuosikymmenen ajan. Tietotekniikan kehittyminen tarjoaa nyt mahdollisuuksia jatkotutkimuksiin eli entistä tarkempaan mallinnukseen, jossa voidaan tarkastella pohjavesikemian kehitystä geologisten ja ilmastoon liittyvien muutosten seurauksena.
Posiva aloitti maaliskuussa Hydrogeokemian reaktiivinen kulkeutumismalli -projektin, jonka tavoitteena on suurteholaskennan avulla analysoida pohjavesikemian muutoksia jopa miljoonan vuoden päähän. Mallinnuksen tuloksilla pyritään varmistamaan Olkiluodon peruskallion louhittavien tunneleiden täyttöastetta ja suurentamaan vuotovesirajoja louhinnan etenemisen edellytyksenä.
- Olkiluodon kallioperän tutkimusten lähtökohtana on ollut, että loppusijoituksessa käytettävät tekniset ratkaisut kestävät voimakkaatkin maapallolla tapahtuvat muutokset. Tavoittelemme projektissa entistä tarkempaa ymmärrystä loppusijoitusalueen kallioperän pohjavesikemiasta, Posivan asiantuntija Lasse Koskinen kertoo.
Projektissa tehdään yhteistyötä Barcelonassa toimivan asiantuntijayrityksen, Amphos21:n, kanssa. Yritys on erikoistunut massiivisten datavirtojen käsittelyyn ja numeerisiin tekniikoihin. Sen asiantuntemusta hyödyntää loppusijoituksen suunnittelussa myös Ruotsin ydinjätehuollosta vastaava SKB.
- Tavoitteenamme on selvittää veden ja kiven välisiä vuorovaikutuksia sekä mikrobiologisia reaktioita kallioperässä pitkälle tulevaisuuteen. Kiven, veden ja mikrobien muodostama reaktiosumma kallioperässä on erittäin monimutkainen, kemisti Tiina Lamminmäki Posivasta sanoo.
Suurta laskentatehoa tarvitaan, koska mallinnettava aikajänne on pitkä ja mallinnettava alue on kooltaan valtava, noin 70 kuutiokilometriä. Koneella riittää laskettavaa, koska jokainen reaktio kiven ja veden välillä sekä mikrobien välittämät prosessit muuttavat tilannetta jatkuvasti.
- Tietääksemme maailmassa ei ole koskaan aikaisemmin tehty näin laajaa pohjavesikemian mallinnusta. Posiva on käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen edelläkävijä, mikä tuo väistämättä eteen haasteita, joita kukaan ei aikaisemmin ole joutunut ratkomaan, Koskinen sanoo.
Supertietokone käyttöön ensi vuonna
Ensimmäiset alustavat keskustelut tutkimuksesta käytiin syksyllä 2020 ja esiselvitys tehtiin keväällä 2021. Kolme vuotta kestävä projekti käynnistyi maaliskuussa 2022.
Varsinaiseen mallinnusvaiheeseen päästään noin vuoden kuluttua ja siinä hyödynnetään maailman tehokkaimpiin kuuluvia supertietokoneita. Maailmassa on useita suurteholaskentaympäristöjä, jotka soveltuvat Posivan tutkimukseen.
Esimerkiksi Kajaanissa pääsee tänä vuonna täyteen tehoonsa LUMI, joka on maailman nopeimpiin kuuluva supertietokone. LUMI-supertietokone vie tilaa noin tenniskentän verran ja laitteisto painaa lähes 150 000 kiloa. Sen laskentateho vastaa yli 1,5 miljoonan yleiskäyttöisen läppärin laskentatehoa. Laskentateho on 552 petaflopsia eli yli 552 miljoonaa miljardia laskutoimitusta sekunnissa.
Muita mahdollisia laskentaympäristöjä ovat MareNostrum-tietokone Barcelonassa ja Jülichin tieteellinen tutkimuskeskus Saksassa.
- Ennen suurteholaskentaympäristön käyttöä testaamme mallinnusta lyhyemmillä aikajänteillä, joihin riittää vähäisempikin laskentateho. Teemme myöhemmin päätöksen, mitä laskentaympäristöä projektissa käytetään, Lamminmäki kertoo.
Tutkimuksesta voi syntyä uutta liiketoimintaa
Tutkijat painottavat, että projekti vahvistaa Posivan osaamista käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen tutkimuksessa ja suunnittelussa, mikä tarjoaa myös uusia liiketoimintamahdollisuuksia.
- Itse mallinnuksen tulokset luonnollisesti palvelevat vain Olkiluodossa tapahtuvaa loppusijoitusta. Kun ymmärrämme, miten pohjavesikemia muuttuu satojen tuhansien vuosien aikana, tiedämme myös, millaiset loppusijoitustilat ja vapautumisesteet ovat optimaalisia. Juuri tutkimusmetodeihin ja loppusijoituksen menetelmiin liittyvästä osaamisesta voi syntyä uutta liiketoimintaa, Lamminmäki pohtii.
Mallinnus keskittyy kolmeen ajanjaksoon
Suurtehokoneilla tehtävä mallinnus jakautuu kolmeen eri vaiheeseen. Ensimmäinen vaihe käsittää ajanjakson edellisestä jääkaudesta nykypäivään eli noin 10 000 vuotta. Toisessa vaiheessa mallinnetaan runsaan sadan vuoden ajanjaksoa, johon sisältyvät loppusijoitustilojen rakentaminen ja itse loppusijoitustoiminta.
- Kolmannessa vaiheessa selvitetään pohjavesikemian muutoksia siitä eteenpäin, kun käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituslaitos on suljettu eli suunnilleen 2120-luvulta eteenpäin. Tavoitteena tässä vaiheessa on tehdä mallinnusta niin pitkälle, että olosuhteet kallioperässä näyttävät vakiintuvan ja merkittävimpien ilmastovaiheiden vaikutukset pystytään ennustamaan. Tavoitteena on saavuttaa ymmärrys kehityksestä noin miljoonan vuoden päähän, Lamminmäki sanoo.
Tärkeitä merkkipaaluja tulevaisuudessa ovat seuraava jääkausi ja merivaihe, jolloin Olkiluoto on veden alla. Jääkauden ajankohta on sidoksissa ilmastonmuutoksen kehityskulkuun, mutta jäätiköitymisvaihe tulee tämän hetken näkemysten mukaan 50 000–380 000 vuoden kuluttua riippuen ilmakehän kasvihuonekaasujen pitoisuudesta.
- Lopputuloksena supertietokoneen laskennasta on valtava määrä dataa, jossa voidaan tarkastella jopa yksittäisten ionien konsentraatiota. Numeerisesta datasta voidaan tehdä myös 3D-animaatio, jossa kehitystä voidaan tarkastella visuaalisesti eri kohdissa kallioperää eri ajanjaksoina, Koskinen tarkentaa.
Teksti: Timo Sillanpää
Kuva: Tapani Karjanlahti
Jaa somessa