Superdator i 1800-talskyrka gav svar

Det har varit en stor utmaning för SKB:s experter att ge en tydlig och noggrann bild av hur de hydrogeologiska processerna i berggrunden samverkar med grundvattnets kemi. Ett spanskt företag har nu utvecklat en lösning som testas på de snabbaste superdatorerna i världen.

Att simulera hur naturen beter sig arbetar SKB:s experter med dagligen. Genom avancerade datormodeller försöker man beskriva berggrunden och de processer som sker där. Det är alltifrån hur vattnet rör sig, dess kemiska egenskaper och förändringar till hur olika ämnen, exempelvis radioaktiva partiklar, kan fastna i berget eller föras vidare och eventuellt nå markytan.

Modellerna är viktiga verktyg för att bedöma den långsiktiga säkerheten i ett slutförvar för radioaktivt avfall. Analyserna behöver ofta göras för mycket lång tid, i vissa fall mer än 100 000 år, vilket ställer stora krav på datorerna.

I SR-site, den senaste säkerhetsanalysen för det planerade Kärnbränsleförvaret i Forsmark, hade man utvecklat bra modeller för hur vattnet rör sig i berget, och för grundvattnets kemi. Däremot fanns inte en tillräckligt bra koppling mellan dessa två, vilket påpekades av Strålsäkerhetsmyndigheten.

Nytänkande gav lösning

Det spanska konsultföretag Amphos 21 i Barcelona, med stor erfarenhet av att ta fram konceptuella och matematiska modeller för olika vetenskapliga och tekniska problem, fick därför i uppdrag att komma med en lösning. Idén gick ut på att få de två datormodellerna att prata med varandra. Jorge Molinero från Amphos 21 förklarar:

– Vanligast när man har ett sådant här problem är att utveckla en helt ny programkod. Men i det här fallet hade vi två bra koder som var och en beskrev sina processer, därför valde vi att utveckla ett gränssnitt mellan dem så att de kunde hämta information från varandra under tiden som programmen kördes, säger Jorge Molinero.

En svårighet var att genomföra de tunga beräkningarna. Var för sig går de två programmen att köra på vanliga datorer – när det gäller mindre problem – men när de nu skulle kopplas samman och lösa mer avancerade problem krävdes en superdator.

Test på spansk superdator

Kyrksal med superdator. Foto: Barcelona Supercomputing Center.

Kyrksal med superdator. Foto: Barcelona Supercomputing Center.

Av en händelse fick de veta att en av Europas snabbaste superdatorer, Mare Nostrum i Barcelona, hade uppgraderats. Barcelona Supercomputing Center efterlyste ett knivigt problem att testa datorns kapacitet på. Universitet och företag fick lämna in förslag, vilket även SKB gjorde genom Amphos 21.

Förslaget var att studera ett specifikt fall relevant för Kärnbränsleförvarets säkerhet. Det handlade om vad som händer med det injekteringsmedel (ungefär vanlig cement) som man tätar nerfartstunnlarna med under byggtiden. Efter förslutning kan medlet lösas upp och ämnen spridas i berget. Dessa kan påverka grundvattenkemin, till exempel höja pH. Om vatten med för högt pH når ner till lerbufferten som skyddar kapslarna med använt kärnbränsle skulle lerans svällförmåga kunna påverkas.

Av alla beräkningsförslag som kom in till Barcelona Supercomputing Center valdes SKB:s fall ut och man fick fri tillgång till superdatorn under en viss tid. Programkoderna fördes över till datorn som är inhyst i den anrika 1800-tals kyrkan, Torre Girona.

– Om beräkningarna skulle gjorts på en vass dator med en processor hade det tagit 316 år, nu kunde vi göra det på 15 dagar. Bara för programmet att skriva ner resultatet från beräkningarna tog 13 timmar, berättar Jorge Molinero.

Förvaret klarar säkerheten

Resultaten blev över förväntan och visar hur olika kemiska ämnen i injekteringsmedlet sprider sig som en plym runt tunneln. Under de 20 000 åren som simulerades hann dock ämnena spädas ut så mycket att bufferten runt kapslarna längre ner i berget inte påverkades.

Björn Gylling, SKB:s expert på hur ämnen transporteras i berggrunden, och Birgitta Kalinowski, expert inom geokemi, leder tillsammans projektet. De var nöjda med resultatet.

– I den här körningen hade vi valt ut de viktigaste kemiska processerna för just det här problemet, annars skulle beräkningarna ha blivit alltför tunga. I takt med att vi utvecklar datorkoderna och att superdatorerna blir bättre kan vi ta med fler processer i beräkningarna, säger Björn Gylling.

Nästa steg blir att testa programkoderna och gränssnittet på en ännu större dator i tyska Jülich, Juqueen – en av världens största superdatorer. Den här gången vill man i detalj studera syrereaktioner i berget, vilka också är viktiga för förvarets långsiktiga säkerhet. Förberedelserna är i full gång och beräkningarna räknar man med att kunna göra under 2015.

Många tillämpningar

Birgitta Kalinowski ser flera viktiga tillämpningar av det nya sättet att koppla ihop de olika datorkoderna. Det kan exempelvis användas för att modellera processer i berget, exempelvis sulfidreaktioner, men också som stöd för konstruktion och projektering av slutförvaret.

– Jag tror att vi kommer ha stor nytta av det här verktyget i framtiden eftersom det är så kraftfullt och tack vare superdatorernas kapacitet kan det hantera mycket stora datamängder. Vi kan aldrig kopiera naturen perfekt, men vi vill komma så nära vi bara kan, säger Birgitta Kalinowski.