Lò phản ứng đại học duy nhất còn hoạt động tại Nhật Bản đối mặt với chi phí đổi nhiên liệu đắt đỏ và thiếu hụt kinh phí

Lò phản ứng nhỏ, gánh nặng đào tạo ngày càng lớn

Lò phản ứng phục vụ giảng dạy của Đại học Kindai ở Higashiosaka, tỉnh Osaka, tạo ra tối đa 1 watt nhiệt, thấp hơn cả ngọn lửa nến. Theo trường, chi phí duy trì hoạt động vào khoảng 200 triệu yen mỗi năm, trong khi phí sử dụng của doanh nghiệp và trợ cấp đào tạo của chính phủ chỉ mang lại khoảng 6 triệu yen. Giờ đây, yêu cầu thay nhiên liệu uranium có nguy cơ khiến hóa đơn tăng vọt.

Đây là lò phản ứng đại học duy nhất hiện đang hoạt động tại Nhật Bản; cơ sở còn lại ở Đại học Kyoto đang tạm ngừng. Trong năm tài khóa 2024, hơn 250 sinh viên đã được đào tạo tại Kindai. Các doanh nghiệp cũng sử dụng lò phản ứng để nghiên cứu điều trị ung thư và tiến hành thí nghiệm liên quan đến tháo dỡ cơ sở hạt nhân.

Tháng 9/2022, Nhật Bản và Mỹ cam kết thay uranium làm giàu cao bằng uranium làm giàu thấp, đồng thời đưa nhiên liệu hiện tại trở lại Mỹ. Chi phí chuyển đổi dự kiến lên tới hàng chục tỷ yen, trong đó Kindai được cho là sẽ phải gánh một phần.

Áp lực xuất hiện khi Nhật Bản hướng tới sử dụng năng lượng hạt nhân nhiều hơn sau nhiều năm tìm cách giảm phụ thuộc vào nguồn năng lượng này kể từ thảm họa Fukushima Daiichi. Đất nước cũng cần nhân lực có thể tháo dỡ an toàn các lò phản ứng cũ. Tuy nhiên, số liệu của Bộ Giáo dục cho thấy số người nhập học vào các khoa và chương trình đại học liên quan đến hạt nhân giảm từ 579 người trong năm tài khóa 1994 xuống còn 177 người trong năm tài khóa 2024.

Sinh viên học gì ở mức công suất 0,01 watt

Khoảng 20 sinh viên Đại học Công nghệ Fukui tham gia buổi huấn luyện hồi tháng 8 tại Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử của Kindai. Theo dõi bảng điều khiển, họ thực hành đưa phản ứng dây chuyền hạt nhân vào trạng thái ổn định.

Khi chỉ số đạt 0,01 watt, một sinh viên tham gia bài tập thông báo kết quả:

0,01 watt. Chúng ta đã đạt trạng thái tới hạn.

Trạng thái tới hạn nghĩa là mỗi thế hệ phản ứng phân hạch hạt nhân cung cấp đủ neutron để duy trì thế hệ tiếp theo. Trong lò phản ứng được kiểm soát, người vận hành có thể duy trì phản ứng ở mức ổn định. Tại đây, sinh viên đạt trạng thái đó khi công suất nhiệt chỉ bằng một phần trăm công suất tối đa của lò.

Bài tập giúp sinh viên kết nối các phép tính với thiết bị đo, thao tác điều khiển và một phản ứng dây chuyền thực tế. Lò phản ứng có công suất nhiệt thấp như vậy có thể truyền đạt các nguyên lý vận hành lò mà không cần phát điện.

Genichiro Wakabayashi, giáo sư tại viện nghiên cứu của Kindai, nói về mục đích của chương trình huấn luyện:

Tôi muốn sinh viên tìm hiểu năng lượng hạt nhân là gì và có thể được sử dụng an toàn như thế nào.

Hướng dẫn về cơ sở lò phản ứng của Kindai cho biết bàn điều khiển nằm trong phòng cạnh phòng lò phản ứng, được thiết kế để sinh viên thực hành khởi động, dừng và điều chỉnh công suất.

Lò phản ứng phục vụ giảng dạy hoạt động ra sao

Lò phản ứng UTR-KINKI cao khoảng 2 mét và có đường kính khoảng 4 mét. Lò thường được gọi là lò phản ứng công suất bằng không vì công suất đầu ra cực thấp. Nước trong lò làm chậm neutron, còn lớp graphite bao quanh lõi phản xạ một phần neutron trở lại nhiên liệu.

Neutron chậm giúp duy trì phản ứng phân hạch trong nhiên liệu uranium. Graphite giúp giữ neutron để phục vụ phản ứng, còn các thanh điều khiển cho phép người vận hành điều chỉnh phản ứng. Kindai liệt kê năm đầu dò neutron và bốn thanh điều khiển trong số các thiết bị dùng để kiểm soát công suất lò.

Lõi lò chứa 12 thanh nhiên liệu dẹt làm từ hợp kim uranium và nhôm, chia thành hai nhóm, mỗi nhóm sáu thanh. Cấu hình nhỏ gọn này phục vụ thí nghiệm và huấn luyện, thay vì tạo lượng nhiệt lớn như tại một nhà máy điện hạt nhân thương mại.

Kindai cho biết lò có mức phóng xạ gamma dư rất thấp. Lớp chắn bảo vệ cho phép vào phòng lò phản ứng khi lò đang hoạt động, đồng thời việc giám sát phóng xạ cũng được tiến hành tại đó. Vì vậy, bên cạnh vật lý lò phản ứng, sinh viên còn học về bảo vệ bức xạ: che chắn, giám sát và kiểm soát việc ra vào vẫn là những phần thiết yếu ngay cả khi lò hoạt động ở công suất rất thấp.

Hơn sáu thập niên cùng sử dụng

Lịch sử viện nghiên cứu của Kindai xác định UTR-KINKI là lò phản ứng đại học và tư nhân đầu tiên của Nhật Bản. Quá trình phát triển kéo dài từ khi viện được thành lập năm 1960 đến những lần bổ sung sau này nhằm mở rộng phạm vi nghiên cứu.

• Tháng 4/1960: Kindai thành lập Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử phục vụ nghiên cứu và giáo dục.
• Tháng 8/1960: Việc lắp đặt lò phản ứng được phê duyệt.
• Ngày 11/11/1961: Lò lần đầu đạt trạng thái tới hạn, với công suất nhiệt 0,1 watt.
• Tháng 10/1974: Công suất nhiệt tối đa được nâng lên 1 watt.
• Tháng 1/1984: Các cơ sở phục vụ chiếu xạ động vật nhỏ, chụp ảnh neutron và mở rộng chiếu xạ theo phương thẳng đứng được bổ sung.
• Ngày 27/9/2022: Nhật Bản và Mỹ công bố cam kết chuyển đổi nhiên liệu của lò phản ứng.

Chụp ảnh neutron sử dụng neutron để khảo sát bên trong vật thể, tương tự cách ảnh X-quang cho thấy cấu trúc bên trong bằng một dạng bức xạ khác. Các cơ sở chiếu xạ cho phép nhà nghiên cứu phơi mẫu trước bức xạ trong điều kiện được kiểm soát.

Sinh viên các trường đại học Osaka, Kobe, Nagoya và Kyushu nằm trong số những người sử dụng lò phản ứng của Kindai để học tập và huấn luyện. Viện cũng tổ chức hội thảo và chuyên đề cho giáo viên cùng người dân. Vì vậy, vai trò của cơ sở này không chỉ giới hạn ở sinh viên của trường.

Cơ sở bận rộn nhưng nguồn thu trực tiếp hạn chế

Kindai vận hành lò phản ứng khoảng 130 ngày mỗi năm, không tính thời gian kiểm tra và bảo trì khác. Bên cạnh các lớp học của trường, doanh nghiệp sử dụng cơ sở cho nhiều dự án, từ nghiên cứu liên quan đến điều trị ung thư đến mô phỏng công việc tháo dỡ cơ sở hạt nhân.

Wakabayashi mô tả áp lực lên lịch hoạt động:

(Lịch bận đến mức) hầu như không có ngày nghỉ.

Trường ước tính chi phí bảo trì và an ninh hằng năm vào khoảng 200 triệu yen. Phí sử dụng của doanh nghiệp cùng trợ cấp của chính phủ cho đào tạo thực hành chỉ mang lại tổng cộng khoảng 6 triệu yen. Khoản thu này trang trải khoảng 3% chi phí hằng năm được nêu, để lại khoảng 194 triệu yen Kindai phải lấy từ các nguồn thu khác.

Khoản chênh lệch giải thích vì sao lịch huấn luyện kín vẫn có thể đi đôi với áp lực tài chính. Lò phục vụ sinh viên từ nhiều trường đại học và hỗ trợ nghiên cứu bên ngoài, trong khi Kindai gánh phần lớn chi phí thường xuyên. Dự án chuyển đổi có quy mô lớn hơn nhiều sẽ chồng thêm lên nghĩa vụ hiện tại.

Vì sao phải đổi nhiên liệu uranium

Ban đầu, Mỹ cung cấp uranium làm giàu cao được sử dụng tại Kindai và muốn thu hồi nhiên liệu này do lo ngại vật liệu có thể được dùng để chế tạo vũ khí hạt nhân. Làm giàu uranium là quá trình tăng tỷ lệ uranium-235, dạng uranium dễ duy trì phản ứng dây chuyền phân hạch. Nhiên liệu làm giàu thấp chứa tỷ lệ uranium-235 nhỏ hơn nhiên liệu làm giàu cao.

Cơ quan An ninh Hạt nhân Quốc gia Mỹ (NNSA) và Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ Nhật Bản nêu cam kết trong thông báo tháng 9/2022. Hai bên nhất trí chuyển UTR-KINKI sang dùng nhiên liệu làm giàu thấp và đưa toàn bộ uranium làm giàu cao hiện có trở lại Mỹ.

NNSA cho biết Kindai trở thành lò phản ứng nghiên cứu cuối cùng ở Nhật Bản sử dụng uranium làm giàu cao sau khi vật liệu này được đưa khỏi Lò phản ứng hạt nhân tới hạn của Đại học Kyoto. Thỏa thuận đặt Kindai trong nỗ lực rộng hơn nhằm giảm lượng vật liệu hạt nhân có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí.

Sau khi chuyển đổi, nhiên liệu hiện tại sẽ được vận chuyển an toàn đến Mỹ để pha loãng thành uranium làm giàu thấp, xử lý theo phương thức khác hoặc kết hợp cả hai. Pha loãng là quá trình trộn vật liệu làm giàu cao với uranium chứa ít uranium-235 hơn nhằm giảm nồng độ của đồng vị này.

Jill Hruby, khi đó là người đứng đầu NNSA, nói về hợp tác song phương tại lễ ký kết:

Chúng tôi trân trọng quan hệ song phương khăng khít với Nhật Bản và mong chờ công bố hoàn tất cam kết mới nhất này trong những năm tới.

Cam kết an ninh đi kèm hóa đơn lớn

Chi phí chuyển đổi ước tính lên tới hàng chục tỷ yen. Kindai được dự kiến sẽ thanh toán một phần, tạo thêm thách thức tài chính bên cạnh khoản thâm hụt vận hành hằng năm. Việc đổi nhiên liệu đòi hỏi lò vẫn đáp ứng được nhiệm vụ giảng dạy và nghiên cứu sau khi sử dụng vật liệu thay thế.

Chưa có mốc hoàn tất chuyển đổi chắc chắn hay phương án phân chia chi phí cuối cùng. Tuyên bố năm 2022 của Hruby đề cập việc hoàn tất trong những năm tới, nhưng không nêu thời hạn cụ thể công khai cho trường.

Khi công bố thỏa thuận với Kindai, NNSA mô tả một chương trình rộng hơn nhiều. Đầu năm 2022, Tổng thống Mỹ Joe Biden và Thủ tướng Nhật Bản Fumio Kishida đã thông báo việc thu hồi hơn 30 kg uranium làm giàu cao từ ba lò phản ứng nghiên cứu của Nhật Bản.

Thời điểm đó, Văn phòng Quản lý và Giảm thiểu Vật liệu của NNSA cho biết đã chuyển đổi hoặc xác nhận việc đóng cửa 108 lò phản ứng nghiên cứu và cơ sở sản xuất đồng vị y tế trên toàn cầu. Cơ quan này cũng báo cáo đã thu hồi hoặc xác nhận việc xử lý gần 7.275 kg vật liệu hạt nhân có thể dùng làm vũ khí.

Thách thức của Kindai nằm ở giao điểm giữa các mục tiêu an ninh và kinh phí giáo dục. Hai chính phủ đã cam kết thu hồi nhiên liệu hiện có, trong khi việc tiếp tục đào tạo thực hành phụ thuộc vào khả năng chi trả của trường cho phương án nhiên liệu thay thế.

Sinh viên ít đi, nơi đào tạo cũng thu hẹp

Trước đây, Nhật Bản có sáu lò phản ứng giáo dục được lắp đặt tại các trường đại học. Hiện chỉ còn hai, và việc Đại học Kyoto tạm ngừng hoạt động khiến Kindai trở thành cơ sở đại học duy nhất đang vận hành. Dự kiến, hoạt động huấn luyện thực hành tại Kyoto sẽ không thể nối lại sớm hơn năm tài khóa tiếp theo, dù chưa có ngày cụ thể.

Số liệu của Bộ Giáo dục cho thấy số người nhập học vào các khoa và chương trình liên quan đến hạt nhân là 177 trong năm tài khóa 2024, so với 579 người trong năm tài khóa 1994. Mức giảm là 402 sinh viên, tương đương khoảng 69%. Số nhập học gần đây chỉ bằng khoảng 31% con số trước đó.

Thống kê sinh viên năm 2015 của bộ, được tổng hợp từ Thống kê Cơ bản về Trường học, cho thấy xu hướng giảm bắt đầu trước thảm họa Fukushima. Tài liệu này ghi nhận số người nhập học mới đạt đỉnh vào năm tài khóa 1992, sau đó giảm, phục hồi từ năm tài khóa 2007 rồi lại đi xuống sau trận động đất và thảm họa năm 2011.

Cùng tài liệu cho biết tổng số sinh viên theo học đạt đỉnh vào năm tài khóa 1994. Số người nhập học mới tính những sinh viên bắt đầu học trong một năm nhất định; tổng số sinh viên bao gồm cả những người đã theo học được một thời gian. Hai chỉ số này giúp lý giải những khía cạnh khác nhau của quy mô đào tạo đang thu hẹp.

Wakabayashi cảnh báo cơ hội tiếp cận lò phản ứng thực tế có thể ảnh hưởng đến lựa chọn học tập của các chuyên gia tương lai:

Nếu các lò phản ứng giáo dục biến mất, người trẻ có thể phải ra nước ngoài học.

Nhu cầu nhân lực còn bao gồm tháo dỡ lò phản ứng

Việc Nhật Bản hướng tới sử dụng năng lượng hạt nhân nhiều hơn làm tăng nhu cầu nhân lực am hiểu vận hành lò phản ứng và an toàn bức xạ. Các cơ sở cũ cũng cần chuyên gia có thể lập kế hoạch và tiến hành ngừng hoạt động, tức quy trình đưa nhà máy ra khỏi hoạt động an toàn và xử lý các kết cấu cùng vật liệu phóng xạ.

Shunji Matsuoka, giáo sư Đại học Waseda chuyên về kinh tế và chính sách môi trường, cho rằng kinh nghiệm thực tế với các lò phản ứng giáo dục có ý nghĩa đối với cả việc vận hành nhà máy thương mại lẫn tháo dỡ chúng.

Matsuoka cũng kêu gọi các trường đại học kết nối đào tạo kỹ thuật với trách nhiệm giải trình trước công chúng. Ông nói các trường cần:

minh bạch trong cách vận hành lò phản ứng, nâng cao hiểu biết về giá trị của chúng đối với xã hội và đào tạo các chuyên gia hạt nhân cởi mở, gắn kết với xã hội.

Kindai đã kết hợp nhiều phần trong nhiệm vụ đó: sinh viên học cách điều khiển lò, doanh nghiệp thử nghiệm ý tưởng liên quan đến tháo dỡ cơ sở và các chương trình giáo dục cộng đồng. Vấn đề kinh phí của trường liên quan đến khả năng duy trì những hoạt động này, cùng với cam kết quốc tế về thay nhiên liệu.

Quyết định cốt lõi là làm thế nào chi trả cho một cơ sở có người sử dụng vượt ra ngoài phạm vi tổ chức duy trì nó. Wakabayashi đang kêu gọi chính phủ hỗ trợ nhiều hơn. Khi nguồn thu hằng năm chỉ trang trải khoảng 3% chi phí bảo trì và an ninh, trong lúc một khoản chuyển đổi lớn sắp tới, đề nghị này liên quan cả hoạt động thường ngày lẫn khả năng tiếp tục giảng dạy của lò với loại nhiên liệu khác.

Điểm chính

• Lò phản ứng của Kindai ở Higashiosaka là lò phản ứng đại học duy nhất hiện đang hoạt động tại Nhật Bản; cơ sở đã đào tạo hơn 250 sinh viên trong năm tài khóa 2024.
• Chi phí bảo trì và an ninh hằng năm vào khoảng 200 triệu yen, trong khi phí doanh nghiệp và trợ cấp đào tạo của chính phủ chỉ đạt khoảng 6 triệu yen.
• Tháng 9/2022, Nhật Bản và Mỹ cam kết thay uranium làm giàu cao và đưa nhiên liệu hiện có trở lại Mỹ.
• Chi phí chuyển đổi ước tính lên tới hàng chục tỷ yen, trong đó Kindai được dự kiến sẽ gánh một phần.
• Số người nhập học vào các khoa và chương trình đại học liên quan đến hạt nhân giảm từ 579 trong năm tài khóa 1994 xuống còn 177 trong năm tài khóa 2024.
• Cơ sở hỗ trợ đào tạo về vận hành lò phản ứng, nghiên cứu và công việc liên quan đến tháo dỡ.