Sensitivity study of seismic hazard prediction in Finland (SENSEI)

Abstract This report is a summary of earthquake hazard sensitivity assessments for Finnish nuclear power plant sites. In this research project, the impact of the input data parameters and modelling method choices of probabilistic earthquake risk assessments on the earthquake risk of Finnish nuclear power plant sites were studied. The latest hazard assessments of the three current and planned nuclear plant sites in Finland were used as reference data. The purpose was not to re-assess old estimates, but to find out which reasons have caused uncertainty and variation between hazard estimates. There were three parties in the project: The national radiation authority of Finland (STUK), a domestic calculation group responsible for making calculation models and calculations, and a foreign independent expert group. The calculation group had experience in making the previous risk assessments for the licensees and the expert group had experience with the latest calculation methods and an independent perspective on the previous assessments. The calculation team made comparative calculations using new software and attenuation functions also known as ground motion prediction equations (GMPEs). As a rule, the previously used seismic source area zonations were used, but special interest was focused on the seismicity of the rapakivi area near Loviisa. The earthquake catalogue used, was the seismological catalogue maintained by the University of Helsinki. In probabilistic earthquake risk assessments, the Gutenberg-Richter parameters describing seismicity and the applicable GMPE and its fitting to earthquake observations were identified as the most significant parameters causing uncertainties. The reason for this is the absence of strong and even medium-sized earthquakes in Finland, which leads to the parameters being fitted to the very few observations or the use of experience gained elsewhere, which is not necessarily suitable for Finland's hard bedrock conditions. Smaller uncertainties are caused by the maximum and minimum earthquake magnitude values used in the hazard assessment. Topics that can be excluded from assessments in Finland are, for example, soil liquefaction, soil modelling and local soil-induced vibration amplification, since so far, all nuclear facilities are built on bedrock. This assumption may change if small modular reactors (SMR) are built in new plant locations and new foundation conditions. Some expert recommendations for further research in Finland are the creation of a national hazard map to help in the siting of new facilities and the use of the GMPE NGA-East and/or the development of the national GMPE to better reflect local earthquake observations.Tiivistelmä Tämä raportti on yhteenveto maanjäristyshasardiarvion herkkyystarkasteluista suomalaisille ydinvoimalaitospaikoille. Tutkimusprojektissa selvitettiin todennäköisyyspohjaisten maanjäristyshasardiarvioiden lähtötietoparametrien ja mallinnustapavalintojen vaikutusta suomalaisten ydinvoimalaitospaikkojen maanjäristyshasardiin. Lähtötietoina käytettiin kolmen suomalaisen nykyisen ja suunnitellun ydinlaitospaikan viimeisimpiä hasardiarvioita. Tarkoituksena ei ollut arvioida vanhoja arviota vaan selvittää, mitkä syyt ovat aiheuttaneet epävarmuuksia ja vaihtelua hasardiarvioiden välille. Projektissa oli kolme osapuolta: STUK, kotimainen laskentaryhmä mallien ja hasardilaskentojen tekemistä varten ja ulkomainen itsenäinen asiantuntijaryhmä. Laskentaryhmällä oli kokemusta aikaisempien hasardiarvioiden tekemisestä ja asiantuntijaryhmällä oli kokemusta uusimmista laskentamenetelmistä ja aikaisemmista arvioista täysin riippumaton näkökulma. Laskentaryhmä teki vertailevat laskennat käyttäen uusia ohjelmistoja ja vaimennusfunktioita (GMPE). Seismiset lähdealuejaot olivat pääsääntöisesti samoja kuin aikaisemmissa hasardiarvioissa, mutta Loviisan rapakivialueen seismisyyteen kohdistettiin erityistä mielenkiintoa. Käytetty maajäristysluettelo eli seismologinen katalogi on Helsingin yliopiston ylläpitämä. Todennäköisyyspohjaisissa maanjäristyshasardiarvioissa merkittävimmiksi epävarmuuksia aiheuttaviksi parametreiksi tunnistettiin seismisyyttä kuvaavat Gutenberg-Richter parametrit ja käytettävä GMPE ja sen sovittaminen maanjäristyshavaintoihin. Syynä tähän on voimakkaiden ja jopa keskisuurten maanjäristysten puuttuminen Suomesta, joten parametrit on sovitettava vähäisten havaintojen perustella tai käytettävä muualta saatua kokemusta, joka ei välttämättä sovellu sellaisinaan Suomen kovaan kallioperään. Pienempiä epävarmuuksia aiheuttavat hasardiarviossa käytettävät maanjäristysmagnitudien maksimi ja minimi raja-arvot. Suomessa arvioista poisrajattavia asioita ovat mm. maaperän nesteytyminen, maaperän mallintaminen ja paikallinen maaperän aiheuttama värähtelyn voimistuminen, koska toistaiseksi kaikki ydinlaitokset on rakennettu peruskalliolle. Tämä tilanne voi muuttua, jos pieniä modulaarisia (SMR) laitoksia rakennetaan uusille laitospaikoille ja uusiin geologisiin olosuhteisiin. Asiantuntijaryhmän suosituksia jatkotutkimuksille Suomessa ovat kansallisen hasardikartan tekeminen uusien laitosten sijoittamisen avuksi sekä NGA-East GMPE:n käyttäminen ja/tai kansallisen GMPE:n kehittäminen vastaamaan paremmin paikallisia maanjäristyshavaintoja.Sammanfattning Denna rapport sammanfattar känslighetsstudier av seismiska hasardanalyser för finska kärnkraftverk. Forskningsprojektet undersökte effekten av indataparametrarna från probabilistiska jordbävningshasarduppskattningar och valet av modelleringsmetoder på jordbävningsrisken på finska kärnkraftsanläggningsplatser. De senaste hasard-uppskattningarna av de tre nuvarande och planerade kärnkraftsanläggningsplatserna i Finland användes som referenser. Syftet var inte att utvärdera tidigare uppskattningar, utan att ta reda på vilka bedömningar som orsakat osäkerheter och variationer mellan hasarduppskattningar. Projektet hade tre parter: STUK, en inhemsk beräkningsgrupp för modelleringen och hasardberäkningar och en utländsk oberoende expertgrupp. Beräkningsgruppen hade deltagit i de tidigare seismiska hasardanalyserna medan expertgruppen hade erfarenhet av de senaste beräkningsmetoderna och hade ett helt oberoende perspektiv mot tidigare uppskattningar. Beräkningsgruppen gjorde jämförande beräkningar med hjälp av nya program och dämpningsfunktioner (GMPE). Som regel användes tidigare seismiska zonindelningar, men rapakivi-området nära Lovisa var av särskilt intresse i känslighetsstudier. Den av beräkningsgruppen använda jordbävningskatalogen upprätthålls av Helsingfors universitet. Gutenberg-Richter-parametrar som beskriver seismiciteten och den tillämpade GMPE och dess anpassning till jordbävningsdata identifierades som de viktigaste parametrarna som orsakar osäkerheter i sannolikhetsbedömningar av jordbävningsrisk. Anledningen till detta är frånvaron av stora och även medelstora jordbävningar i Finland. Därför måste parametrarna uppskattas på basis av få observationer eller av jordbävningsdata från andra håll i världen, vilket inte nödvändigtvis är lämpligt för den hårda berggrunden i Finland. De högsta och lägsta gränsvärdena för jordbävningsstorlekar som används som parametrar i hasarduppskattningar har mindre betydelse. Saker som kan uteslutas från hasarduppskattningar i Finland är t.ex. jordförvätskning, jordmodellering och lokal markinducerad vibrationsförstärkning, eftersom hittills alla kärnkraftsanläggningar har byggts på berggrund. Denna bedömning stämmer inte nödvändigtvis om småskaliga modulära (SMR) anläggningar byggs på nya områden som kan ha annorlunda geologiska förhållanden. Jordbävningsexperter rekommenderar ytterligare forskning i Finland för att framta en nationell hasardkarta som stödjer placeringar av nya anläggningar och tillämpning av NGA-East GMPE eller utveckling av en finsk GMPE som bättre skulle motsvara lokala jordbävningsdata

Probabilistic seismic hazard analysis in low-seismicity regions : An investigation of sensitivity with a focus on Finland

Online supplementary informationWe investigate probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) in low-seismicity regions in which epistemic uncertainties are largely due to the sparsity of data, with a focus on Finland, northern Europe. We investigate the sensitivity of site-specific PSHA outcomes to different choices of basic input parameters, starting from preexisting PSHA models of the nuclear licensees in the country, without producing a final hazard curve. The outcome shows that the parameters and models needed to estimate future seismicity rates from actual observations, in particular the b value, seismicity rates, and the largest possible magnitude, Mmax, as well as the median ground-motion prediction equation, play significant roles. The sensitivity also depends on the spectral frequency; for example, the effect of Mmax is significant especially for a low-frequency hazard at annual frequency of exceedance 10−5 but more moderate for peak ground acceleration. The delineation of seismic source zones (SSZs) remains ambiguous in regions of low seismicity. This, combined with the dominance of the host SSZ and its seismicity parameters, may have a substantial impact on the outcome. Our results are quantitatively applicable to Finland, but may also be of relevance to other low-seismicity regions in Europe and elsewhere. For future work we recommend the exploration of PSHA sensitivity with focus on the host SSZ with its immediate vicinity and the b value around the site of interest.We investigate probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) in low-seismicity regions in which epistemic uncertainties are largely due to the sparsity of data, with a focus on Finland, northern Europe. We investigate the sensitivity of site-specific PSHA outcomes to different choices of basic input parameters, starting from preexisting PSHA models of the nuclear licensees in the country, without producing a final hazard curve. The outcome shows that the parameters and models needed to estimate future seismicity rates from actual observations, in particular the b value, seismicity rates, and the largest possible magnitude, Mmax, as well as the median ground-motion prediction equation, play significant roles. The sensitivity also depends on the spectral frequency; for example, the effect of Mmax is significant especially for a low-frequency hazard at annual frequency of exceedance 10−5 but more moderate for peak ground acceleration. The delineation of seismic source zones (SSZs) remains ambiguous in regions of low seismicity. This, combined with the dominance of the host SSZ and its seismicity parameters, may have a substantial impact on the outcome. Our results are quantitatively applicable to Finland, but may also be of relevance to other low-seismicity regions in Europe and elsewhere. For future work we recommend the exploration of PSHA sensitivity with focus on the host SSZ with its immediate vicinity and the b value around the site of interest.Peer reviewe

Effects of site preparation and reindeer grazing on the early-stage success of Scots pine regeneration from seeds in northern Finland and Sweden

The importance of sufficient soil scarification to ensure the regeneration of Scots pine on sub-dry and more fertile sites has been emphasized in many studies. Here we aimed to study, how site preparation intensity affects the early success of natural regeneration and sowing (bare seeds and seed pellets) of Scots pine with or without the reindeer grazing. The study area was located in northern Finland and Sweden where five site preparation methods were compared: unprepared control, logging machine tracks, Huminmix (mixing the mineral soil and organic layer), disc trenching and intensive disc trenching. In each of these we used direct seeding, seed pellets and natural regeneration. Results revealed that even the lightest site preparation methods can provide sufficient regeneration results while the reindeer grazing limits the optimal regeneration result. Huminmix and even the track of the logging machine could provide satisfactory regeneration results both in direct seeding and natural regeneration. This could facilitate the coexistence of forest management, reindeer herding and other land use forms in the same stands and area. The use of seed pellets needs further research, but it may have potential due to lower consumption of seeds and less need for site preparation