null Ydinjätteen loppusijoituksesta laskennallisesti

Posivan ydinjätteen loppusijoituspaikkana toimiva Onkalo maisemaan sijoitettuna. Kuva: Posiva.

Ydinjätteen loppusijoituksesta, laskennallisesti

CSC ja Posiva Oy ovat tutkineet yhteistyössä ikiroudan esiintymistä tulevaisuudessa Olkiluodon alueella, jonne louhitaan tällä hetkellä maailman ensimmäistä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituspaikkaa.  CSC on tarjonnut Posivalle Puhti-supertietokoneen laskentakapasiteettia ja Elmer-ohjelmiston sekä antanut konsultointipalveluita Posivalle työskentelevälle yhdysvaltalaiselle CoSci LLC -yhtiölle. Posiva on hakemassa käyttölupaa loppusijoitukselle vuodenvaihteessa ja toivoo aloittavansa käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoittamisen 2020-luvun puolivälissä. 

Posiva Oy on vuonna 1995 perustettu ympäristöteknologian asiantuntijaorganisaatio, jonka tehtävä on huolehtia omistajiensa käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksesta. Yhtiö on erikoistunut tuottamaan vastuullisia ydinjätteen loppusijoittamiseen liittyviä ratkaisuja, jotka mahdollistavat ydinvoiman käytön sähköntuotannossa. Yhtiö sijaitsee Olkiluodossa Eurajoella, missä sijaitsee myös Posivan ydinjätteen loppusijoituspaikkana toimiva ONKALO®, joka on louhittu syvälle peruskallioon.

Suomi on edelläkävijä ydinjätteen hallinnassa. Posiva on jättämässä käyttölupahakemuksen korkea-aktiivisen ydinjätteen loppusijoittamisesta kallioperään ensimmäisenä maailmassa. Posivan ydinjätteen loppusijoitusratkaisu on vuosikymmenten monitieteellisen tutkimustyön tulos ja se on vaatinut hyvin laaja-alaista asiantuntijuutta. Yhtiö toimii yhteistyössä laajasti eri toimialoilla toimivien suomalaisten ja ulkomaalaisten asiantuntijaorganisaatioiden kanssa ja teettää ydinjätehuoltoon liittyviä tutkimuksia korkeakouluilla, tutkimuslaitoksilla ja konsulttiyrityksillä.

Arvioitu ikiroudan syvyys vuosien 54 021 ja 59 021 välissä. Kuva: Thomas Zwinger, CSC.

Monipuolista yhteistyötä

CSC:n ja Posivan yhteistyö alkoi jo vuonna 2015 ja on ollut siitä lähtien hyvin monipuolista. Yhteistyökuvio sai alkunsa Juha Hartikaisen väitöskirjatutkimuksesta Huokoisen materiaalin kontinuumi-termodynaaminen mallintaminen ja soveltaminen maan jäätymiseen (Aalto-yliopisto). Suurteholaskennan resursseja tarvittiin mallin soveltamiseen laajan skaalan simulaatioissa loppusijoituspaikan tutkimisessa. Hartikainen väitteli tohtoriksi vuonna 2018. 

Tässä vaiheessa yhteistyö koski ikiroudan ja pohjavesihydrologian yhdistävän kytketyn mallin toteuttamista Elmerissä, joka on pääasiassa CSC:llä kehitetty avoimen lähdekoodin monifysikaalinen mallinnusohjelmisto. Elmerin kehittäminen aloitettiin jo vuonna 1995 yhdessä suomalaisten yliopistojen, tutkimuslaitosten sekä teollisuuden kanssa ja ohjelmiston kehitys ja ylläpito ovat jatkuneet niistä päivistä lähtien.

Aluksi yhteistyö keskittyi erityisesti Elmer-ohjelmiston hyödyntämiseen. CSC:n osuutena oli mukauttaa Elmer yllämainittuun kytkettyyn malliin ja mahdollistaa skaalautuvat ja rinnakkaistuvat toteutukset. Mallin toteuttamisen jälkeen hankkeelle varattiin laskentakapasiteettia Puhti-supertietokoneelta. Tohtori Denis Cohen CoSCI LLC:ltä ja Thomas Zwinger CSC:ltä simuloivat yhteistyössä ikiroudan kehittymistä koskevia skenaarioita Olkiluodossa ydinjätteen loppusijoituspaikassa. Laskentatehon lisäksi CSC tarjosi konsultointiapuaan CoSCI LLC:lle simulaatioiden esikäsittelyyn ja ajamiseen sekä auttoi lisäämään tarvittavat korjaukset koodiin.

Tutkimuksen pääkysymyksenä oli selvittää missä laajuudessa ikirouta voi saavuttaa ydinjätteen loppusijoituspaikan seuraavien satojen tuhansien vuosien aikana. Tutkimuksessa käytetty kolmiulotteinen malli kattaa useita kymmeniä kilometrejä loppusijoitustilan ympäriltä ja ulottuu noin 10 kilometrin syvyyteen kallioperään.

– Ilman Elmerin tarjoamia puitteita tällaisen monipuolisen vesi-lämpö-ikirouta -mallin toteuttaminen ollut käytännössä mahdotonta. Mallin ajaminen vaati laajaa rinnakkaislaskentaa lyhyessä ajassa, vanhempi sovellusasiantuntija Thomas Zwinger CSC:ltä sanoo.

– Laaja rinnakkaisajo kattoi useilta miljoonia laskentasoluja. Tietääksemme mikään muu ohjelmisto kuin Elmer ei kykene suorittamaan tämänkokoista kytkettyä vesi-ikirouta-mallia, Zwinger lisää. 

Tutkimus ja kehitystyö ovat olleet keskeisiä käytetyn ydinpolttoaineen loppusijoituksen kannalta. Ikirouta ja sen ulottuminen loppusijoitussyvyydelle on yksi aihe alue, johon palataan usein, koska syvimmillään ikirouta voi ulottua useiden satojen metrien syvyyteen peruskalliossa, kuten esimerkiksi Siperiassa. 

– Keskeisenä tehtävänä CSC ja Posivan välisessä yhteistyössä olikin selvittää millaisissa ilmastollisissa olosuhteissa ikirouta voi ulottua loppusijoitustilaan. Tulosten perusteella näyttää kuitenkin siltä, että tulevaisuuden ilmasto-olosuhteilla ei Olkiluodossa ikirouta tule ulottumaan loppusijoitussyvyydelle, Posivan turvallisuusperusteluohjelman päällikkö Anne Kontula kertoo. 

Kolmiulotteinen näkymä vuonna 63223 ikiroudan maksimitilanteessa pohjaveden suolapitoisuuden tasa-arvopinnan ollessa yc=2.0 g/l. Kuvassa näkyvät pohjaveden virtausvektorit tasa-arvopintaa pitkin (a) ja kolme pystysuoraa poikkileikkausta (b). Tasa-arvopinta on väritetty pohjaveden pystysuuntaisen virtauksen mukaan ja vektorit koon mukaan. Kuva: Thomas Zwinger, CSC.

Pitkäaikainen tutkimusyhteistyö on mahdollistanut toimintamallin, jossa käytetyn ydinjätteen loppusijoituksen arviointia on voitu parantaa. Posivan liiketoiminta on esimerkki innovaatiosta, jossa ilmasto- ja ympäristöhaasteet on muutettu mahdollisuuksiksi. Tarkoitus on, että käytetyn ydinjätteen loppusijoitus alkaa Olkiluodossa 2020-luvulla.

CSC:n ja Posivan välinen yhteistyö on todella hedelmällistä: Posiva saa käyttöönsä luotettavia ja tehokkaita suurteholaskentaresursseja ja asiantuntijatukea.  CSC tuo mukanaan ohjelmistokehityksen ja suurteholaskennan kyvykkyydet ja voi yhteistyössä muiden tutkimusorganisaatioiden tutkijoiden ja insinöörien kanssa osallistua erittäin tärkeään ratkaisuun kaikkien suomalaisten turvallisuuden kannalta.

– Mainitsemisen arvoista on myös se, että Posivan kautta CSC on saanut hyvät yhteydet kansallisiin ja kansainvälisiin organisaatioihin, jotka tulevaisuudessa voisivat olla potentiaalisia yhteistyökumppaneita tällä tieteen ja tekniikan alalla, Zwinger jatkaa.

Lisää tästä aiheesta » Siirry sisältöihin ja uutisiin »

Sofia Mänty ja Tommi Kutilainen