FI9900144 POSIVA 99-10 Final disposal of spent nuclear fuel in Finnish bedrock - Olkiluoto site report Pekka Anttila, Fortum Engineering Oy Henry Ahokas, Fintact Oy Kai Front, VTT Communities and Infrastructure Heikki Hinkkanen, Posiva Oy Erik Johansson, Saanio & Riekkola Oy Seppo Paulamaki, Geological Survey of Finland Reijo Riekkola, Saanio & Riekkola Oy Jouni Saari, Fortum Engineering Oy Pauli Saksa, Fintact Oy Margit Snellman, Posiva Oy Liisa Wikstrom. Posiva Oy Antti Ohberg, Saanio & Riekkola Oy 30-42 June 1 999 Maps: ©Maanmittauslaitos permission 41/MYY/99 POSIVA OY Mikonkatu 15 A. FIN-OO1OO HELSINKI. FINLAND Phone (09) 2280 3O (nat.), ( + 358-9-) 2280 30 (int.) Fax (O9) 2280 3719 (nat.). ( + 358-9-) 228O 3719 (int.) ISBN 951-652-065-0 ISSN 1239-3096 Posiva-raportti - Posiva Report Raportin tunnus -Report code POSIVA 99-10 Posiva Oy . Mikonkatu 15 A, FIN-00100 HELSINKI, FINLAND JuiKaisuaika uate Puh. (09) 2280 30 - Int. Tel. +358 9 2280 30 June 1999 Tekijä(t) - Author(s) Toimeksiantaja(t) - Commissioned by Pekka Anttila, Henry Ahokas, Kai Front, Heikki Hinkkanen, Erik Johansson, Seppo Paulamäki, Reijo Riekkola, Jouni Saari, Posiva Oy Pauli Saksa, Margit Snellman, Liisa Wikström, Antti Öhberg Nimeke - Title FINAL DISPOSAL OF SPENT NUCLEAR FUEL IN FINNISH BEDROCK OLKILUOTO SITE REPORT Tiivistelmä - Abstract Posiva Oy is studying the Finnish bedrock for the geological disposal of spent nuclear fuel. The study is based on the site selection research programme started originally in 1983. The programme is in accordance with the decision in principle by the Council of State in 1983 and aims at the selection of one site in 2000. Four sites, Hästholmen in Loviisa, Kivetty in Äänekoski, Olkiluoto in Eurajoki and Romuvaara in Kuhmo, have been studied in detail. This report summarises the results of the site investigations carried out at Olkiluoto. The bedrock of the Olkiluoto site consists of Svecofennian metasediments and plutonic rocks, 1800- 1900 million years in age. Migmatitic mica gneiss is the most abundant rock type, and is intruded by foliated tonalites and granodiorites and massive coarse-grained granites and pegmatites. Five successive plastic deformation phases have been defined. In total, 30 bedrock structures (R- structures) have been modelled at the site. Most of these represent steeply dipping fracture zones, but several sub-horizontal zones, gently dipping to the SE, have also been identified. The rock mass between the fracture zones represents what is termed "intact rock", which is typically hard, unweathered and sparsely fractured. The R-structures are generally hydraulically more conductive than the intact rock and their mean transmissivity is 3-10"7 m2/s. The corresponding mean of the hydraulic conductivity values for the intact rock measured using a 2 m packer interval, is 8-10"13 m/s, if a lognormal distribution for all measured values is assumed. A clear decrease in hydraulic conductivity with depth has been found for the intact rock, and there seems to be a parallel decrease in the transmissivity of structures. In addition, the hydraulically conductive fractures seem to be more frequent and their transmissivities higher in the uppermost 100 - 200 m of the bedrock than at greater depths. The groundwater chemistry reflects the postglacial history of the island of Olkiluoto, which rose from the Baltic Sea some 2 500 - 3 000 years ago. The groundwater varies from modern fresh water near the surface to saline water at greater depths. Above 150 m current meteoric recharge and Baltic Sea water dominates. Below this a mixture of Litorina Sea water and glacial meltwater is dominant. Deeper below 500 m subglacial and older saline groundwater predominates. The maximum values for Total Dissolved Solids (TDS) and chloride content are 69.13 g/1 and the 43 g/1, respectively. Reducing conditions are expected to exist at depth, which are favourable in terms of low radionuclide solubility and slow canister corrosion. Potentially suitable bedrock blocks have been identified at the site for locating a repository for spent fuel in the depth range of 400 - 700 m. No significant geotechnical, hydrogeological and hydrogeo- chemical constraints have been found to its construction, although it is recommended that certain fracture zones should be avoided when locating the deposition tunnels and disposal holes. In addition, the salinity of the groundwater will probably limit to some extent the types of construc- tional materials that can be used. Avainsanat - Keywords geology, hydrogeology, geochemistry, spent fuel, nuclear waste, disposal, crystalline rock ISBN ISSN ISBN 951-652-065-0 ISSN 1239-3096 Sivumäärä - Number of pages Kieli - Language 206 English ti _ PosiVd RfiDOrt Raportin tunnus-Report code POSIVA 99-10 Posiva Oy . _ Mikonkatu 15 A, FIN-00100 HELSINKI, FINLAND Julkaisuaika uate Puh. (09) 2280 30 - Int. Tel. +358 9 2280 30 Kesäkuu 1999 Tekijäft) - Author(s) Toimeksiantaja(t) - Commissioned by Pekka Anttila, Henry Ahokas, Kai Front, Heikki Hinkkanen, Erik Johansson, Seppo Paulamäki, Reijo Riekkola, Jouni Saari, Posiva Oy Pauli Saksa, Margit Snellman, Liisa Wikström, Antti Öhberg Nimeke - Title KÄYTETYN POLTTOAINEEN LOPPUSIJOITUS SUOMEN KALLIOPERÄÄN OLKILUODON PAIKKARAPORTTI Tiivistelmä - Abstract Posiva Oy tekee Olkiluodon ja Loviisan ydinvoimalaitosten käytetyn polttoaineen loppusijoitusta varten kallioperätutkimuksia, jotka tähtäävät lopullisen sijoituspaikan valintaan vuonna 2000. Yksityiskohtaisia tutkimuksia on suoritettu neljällä paikkakunnalla; Kuhmon Romuvaarassa, Äänekosken Kivetyssä, Eurajoen Olkiluodossa ja Loviisan Hästholmenilla. Tässä raportissa esite- tään yhteenveto Eurajoen Olkiluodossa tehdyistä tutkimuksista ja niiden tuloksista. Olkiluodon kallioperä muodostuu svekofennisistä metasedimenteistä ja syväkivistä, iältään 1800- 1900 miljoonaa vuotta. Tutkimusalueen pääkivilajina on migmatiittinen kiillegneissi, jota leikkaavat suuntautuneet tonaliitit ja granodioriitit sekä massamaiset karkearakeiset graniitit ja pegmatiitit. Nuorinta kivilajia edustaa kapea diabaasijuoni. Kivilajeista, diabaasia lukuunottamatta, on löydetty merkkejä viidestä eri deformaatiovaiheesta. Tutkimusalueen kallioperästä on mallinnettu yhteensä 30 pääosin jyrkkäkaateista rako- tai rikko- naisuusvyöhykettä, mutta alueelta on paikannettu useita loivasti kaakkoon viettäviä vyöhykkeitä. Rikkonaisuusvyöhykkeiden välinen kallio on enimmäkseen kiinteätä, rapautumatonta ja harvak- seltaan rakoillutta. Se saattaa kuitenkin sisältää myös yksittäisiä rikkonaisia vyöhykkeitä, joita ei ole luokiteltu kalliomallin rakenteiksi. Mallinnetut rikkonaisuusrakenteet ovat useimmiten merkittävästi vettäjohtavampia kuin niiden välinen ehjä kallioperä. Rakenteiden transmissiviteetti on keskimäärin 3-10 m2/s. Vastaavasti ehyen kallion vedenjohtavuus on keskimäärin 8-10"13 m2/s, mikäli oletetaan kaikkien 2 m tulppavälillä mitattujen arvojen jakaantuneen lognormaalisti. Ehjän kallion vedenjohta- vuus pienenee selvästi syvyyden kasvaessa - myös rakenteiden osalta vastaava ilmiö on mahdollista. Vettäjohtavia avoimia rakoja esiintyy runsaammin ja niiden transmissiviteetti on suurempi kallion pintaosassa (noin 100-200 metrin syvyydelle) kuin syvemmällä. Olkiluodon saaren jääkauden jälkeinen kehitys heijastuu kallioperän pohjaveden kemiassa. Saari kohosi Itämerestä noin 2500-3000 vuotta sitten. Kallion pintaosissa vesi on makeaa muuttuen syvemmällä suolaiseksi. Kallion ylintä 150 m:ä hallitsee saaren kohoamisen jälkeen suotautunut meteorinen vesi sekä nykyinen merivesi. Tämän alapuolella esiintyy pääosin Litorina-kauden merivesi ja mannerjään sulamisvesi. Syvemmällä 500 m:n alapuolella tavataan jääkauden aikaista ja sitä vanhempaa suolaista pohjavettä. Suurin mitattu liuenneiden suolojen, TDS (Total Dissolved Solids), kokonaismäärä on 69,13 g/l ja vastaava kloridipitoisuus 43 g/l. Loppusijoitussyvyydella pohjavesiolosuhteet ovat pelkistäviä, mikä hidastaa radionuklidien liukenemista sekä jätekapselin korroosiota. Tutkimusalueen kallioperästä, noin syvyysväliltä 400-700 m, on paikannettu kalliolohkoja, jotka soveltuvat hyvin loppusijoitustilojen rakentamiseen. Kallioperästä ei ole tavattu sellaisia ominai- suuksia, jotka estäisivät loppusijoitustilojen rakentamisen tavanomaisin kalliorakennusmenetelmin, joskin tilojen sijoittelussa on suositeltavaa välttää tiettyjä rikkonaisuusrakenteita. Suolainen pohja- vesi saattaa asettaa rajoituksia loppusijoitustilojen rakenteiden materiaaleille. Avainsanat - Keywords geologia, hydrogeologia, geokemia, käytetty polttoaine, ydinjäte, loppusijoitus, kiteinen kallioperä ISBN ISSN ISBN 951-652-065-0 ISSN 1239-3096 Sivumäärä - Number of pages Kieli - Language 206 Englanti TABLE OF CONTENTS ABSTRACT TOVISTELMA TABLE OF CONTENTS 1 PREFACE 3 1 INTRODUCTION 5 2 SITE CHARACTERISATION 9 2.1 Site Selection Process 9 2.2 Preliminary Site Characterisation 1987-1992 13 2.2.1 Characterisation Programmes 13 2.2.2 Preliminary Site Characterisation - Approaches and Extent 15 2.3 Detailed Site Characterisation 1993 - 2000 23 2.3.1 Characterisation Programmes 23 2.3.2 Detailed Site Characterisation - Approaches and Extent 25 2.4 Rock Modelling 30 2.4.1 Interpretation Process 30 2.4.2 Computer Modelling 32 2.5 Definition of Structural Terms Describing the Bedrock 34 3 LOCATION AND REGIONAL SETTING 37 3.1 Location and Topography 37 3.2 Regional Geology 37 3.3 Regional Hydrology 41 3.4 Climate 41 3.4.1 Climate Past and Present 41 3.4.2 Future Climates 44 3.5 Seismicity 46 4 GEOLOGY 51 4.1 Rock Types 51 4.2 Tectonics 57 4.3 Fracturing 60 4.3.1