Permafrost i Forsmark – hur djupt och när?

Hur djupt ner i marken kan permafrost nå i Forsmark under en kommande istid? Och när i framtiden skulle permafrost tidigast kunna bildas?

Den första frågan är viktig för analysen av den långsiktiga säkerheten hos ett framtida djupt kärnbränsleförvar, medan den andra frågan är viktig för det grundare befintliga Slutförvaret för kortlivat radioaktivt avfall, SFR, i Forsmark. Ytterligare en fråga som är viktig för båda förvaren är hur förekomst av olika grad av permafrost påverkar grundvattnets flödesmönster och kemiska sammansättning, samt hur den påverkar landskapsutveckling och ytekosystem vid markytan.

Maximalt permafrostdjup i Forsmark

Om vattnet i bufferten runt kopparkapslarna i ett kärnbränsleförvar fryser kommer leran i bufferten att utöva ett betydligt högre tryck på kapseln och det omgivande berget än annars. I säkerhetsanalysen för ett sådant förvar är det därför viktigt att undersöka hur djupt ner i marken permafrost kan gå i samband med framtida perioder dominerade av kallt klimat. Når frysning ner till förvarsdjup, och vad händer i så fall?

Permafrost kan förekomma i samband med att klimatet blir kallare, något som vi behöver räkna med i de långa tidsperspektiv (upp till en miljon år) som SKB analyserar för Kärnbränsleförvaret. Enligt definitionen råder permafrost då temperaturen i marken är lägre än 0° C under minst två år i rad. Oftast, men inte alltid, är marken frusen om man har permafrost.

– Tvärtemot vad man kanske kan tro är inte permafrosten som tjockast när inlandsisen är som tjockast, påpekar SKB:s klimatexpert Jens-Ove Näslund.

När en inlandsis rycker fram över ett område börjar eventuell permafrost som fanns där innan isen kom oftast att smälta. Det sker på grund av att inlandsisen isolerar marken från de låga lufttemperaturerna. Så även om isen i sig är kall, är den ofta varmare vid botten än vad lufttemperaturen hade varit utan is. När inlandsisen ligger på platsen kan effektiv smältning av permafrosten ske nedifrån med hjälp av det geotermiska värmeflödet i berget. Djupast ner i berget når permafrosten under isfria perioder med kallt och torrt tundraklimat.

Simuleringar längs profil

För analysen av Kärnbränsleförvarets säkerhet har vi har simulerat hur djupt permafrosten maximalt kan nå i Forsmark. För olika tänkbara klimatutvecklingar har vi gjort temperaturberäkningar längs en 15 kilometer lång profil från ytan ända ner till tio kilometers djup. Profilen skär igenom såväl det tänkta Kärnbränsleförvaret som den befintliga SFR-anläggningen i Forsmark.

Utifrån detta beräknade vi sedan effekterna på grundvattenflödet och grundvattenkemin i säkerhetsanalysen SR-Site. Vi analyserade även vad som händer om olika delar av Kärnbränsleförvaret skulle frysa.

– I säkerhetsanalysen för Kärnbränsleförvaret har vi en framtida så kallad referensutveckling för klimatet, där vi för de kommande 120 000 åren bland annat upprepar rekonstruerade temperaturvariationer från den förra istiden, berättar Jens-Ove Näslund.

– En period med mycket torrt och kallt klimat inträffar då om ungefär 50 000 år. Vid den tiden når också permafrosten som djupast i just det här exemplet på klimatutveckling.

Övre delarna fryser

De övre delarna av Kärnbränsleförvaret, ner till maximalt 250 meters djup, fryser i referensutvecklingen, medan de allra översta delarna fryser upprepade gånger. Att de övre delarna av förvaret fryser spelar ingen roll för säkerheten, eftersom det inte får några direkta konsekvenser för kapslarna.

Temperaturen i berget blir dock aldrig så låg att buffertleran runt kapslarna fryser, även om man räknar med värsta tänkbara framtida klimatförhållanden. I SR-Site gjorde vi just detta genom att – förutom referensutvecklingen – även räkna på andra fall, bland annat ett där det inte blir någon inlandsis vid Forsmark alls under en hel istid, utan bara kallt och torrt klimat. Inte ens om man lägger till alla andra kända osäkerheter i de parametrar som påverkar tillväxten av permafrost (det vill säga egenskaper hos markytan, berget och grundvattnet) blir temperaturen så låg att buffertleran på förvarsdjup fryser.

Grundvattnets flöde och salthalt förändras

Som väntat påverkar dock permafrosten förhållandena i och kring förvaret på flera sätt. Den frusna marken släpper i princip inte igenom grundvatten, vilket leder till att vattenomsättningen i berget minskar drastiskt om man har mycket permafrost. I säkerhetsanalysen SR-Site har vi speciellt undersökt vad som händer om grundvattnets flödesmönster ändras betydligt vid kraftig permafrost.

Permafrost kan också leda till att grundvattnets kemiska sammansättning ändras genom att salt fryser ut, så att salthalten ökar i det grundvatten som fortfarande befinner sig i flytande form. Även det är en process som vi studerat speciellt i SR-Site. Resultaten visar att saltutfrysning inte är en effektiv process i Forsmark, på grund av att salthalten i det ytliga grundvattnet är så pass låg.

Framtida permafrost Forsmark

Det befintliga förvaret för kortlivat låg- och medelaktivt avfall, SFR, är ett relativt sett grunt förvar, som ligger cirka 60 meter under markytan/havsbottnen. Den pågående landhöjningen gör att området ovan förvaret kommer att vara land om ett antal tusen år. Detta gör, i sin tur, att framtida perioder med kallt klimat mycket väl skulle kunna ge permafrost och frysning som når ner till SFR och eventuellt påverka barriärerna av betong och bentonit.

Radioaktiviteten hos avfallet i SFR avklingar förhållandevis snabbt, jämfört med avfallet i Kärnbränsleförvaret. En viktig fråga för SFR är därför när frysning på förvarsdjup tidigast skulle kunna tänkas ske. Och hur kallt det vid dessa tillfällen skulle kunna bli i berggrunden. I den senaste säkerhetsanalysen för SFR (SR-PSU) gjordes en studie kring just detta.

Klimatet i Sverige under kommande 60 000 år studerades med hjälp av två olika typer av klimatmodeller, samt med hjälp av ett stort antal pessimistiska antaganden. Antagandena, vilka bland annat rör framtida koldioxidhalt i atmosfären, gjordes så att permafrosttillväxt skulle gynnas istället för att missgynnas. En annan viktig parameter för det framtida klimatet är mängden solinstrålning mot jordytan, och hur den varierar över tid på grund av variationer i jordens bana runt solen. Till skillnad mot mycket annan information som rör det framtida klimatet, denna beräknas mycket exakt. Vi vet därför att det kommer perioder med lägre solinstrålning än i dag, och ett tänkbart kallare klimat, om runt, 17 000, 54 000 och 100 000 år.

För de två första perioderna lät vi klimatmodellerna beräkna de kallaste klimaten de kunde, med rimliga antaganden. Därefter lät vi samma permafrostmodell som vi tidigare använt för Forsmark i SR-Site, beräkna temperaturen i berget för dessa kallare klimat. Resultaten visar att permafrost skulle kunna bildas i Forsmark om 17 000 år, givet att koldioxidhalten gått ner till mycket låga nivåer till dess. Dock blir temperaturen i berget inte så låg att betongen i SRF skulle kunna frysa.

Om 54 000 år skulle klimatet däremot kunna bli kallare. Resultaten visar att vi vid den här tidpunkten inte kan utesluta att betong på SFR:s förvarsdjup skulle kunna frysa, givet de mest pessimistiska antagandena kring klimat och förhållanden ovan förvaret. Säkerhetsanalysen SR-PSU visar dock också att frysning av betongen vid denna tidpunkt inte på något sätt skulle vara kritisk för förvarets säkerhet. Betongen är då redan så pass degraderad av andra processer, och, framför allt, minskningen av avfallets radioaktivitet har då gått så långt, att förvaret trots detta uppfyller de strikta kraven som ställs på SFR:s långsiktiga säkerhet.