Último reator universitário em operação no Japão enfrenta troca de combustível cara e falta de recursos

Um pequeno reator enfrenta uma carga crescente de treinamento

O reator de ensino da Universidade Kindai, em Higashiosaka, na província de Osaka, produz no máximo 1 watt de calor, menos que a chama de uma vela. Mantê-lo disponível custa cerca de 200 milhões de ienes por ano, segundo a universidade, enquanto as taxas de uso pagas por empresas e os subsídios governamentais para treinamento somam apenas cerca de 6 milhões de ienes. Uma troca obrigatória do combustível de urânio ameaça agora gerar uma conta muito maior.

O reator é o único reator universitário em operação atualmente no Japão. A outra instalação ainda existente, na Universidade de Kyoto, está temporariamente suspensa. Mais de 250 estudantes fizeram treinamento na Kindai no ano fiscal de 2024. Empresas também o utilizam em pesquisas sobre tratamentos contra o câncer e em experimentos relacionados ao descomissionamento de instalações nucleares.

Em setembro de 2022, Japão e Estados Unidos se comprometeram a substituir o urânio altamente enriquecido por urânio pouco enriquecido e devolver o combustível atual aos Estados Unidos. A conversão deve custar dezenas de bilhões de ienes, e espera-se que a Kindai arque com parte da despesa.

A pressão aumenta no momento em que o Japão volta a apostar mais na energia nuclear, após anos tentando reduzir sua dependência depois do desastre de Fukushima Daiichi. O país também precisa de profissionais capazes de descomissionar reatores antigos com segurança. Ainda assim, dados do Ministério da Educação mostram que o ingresso em departamentos e cursos universitários relacionados à energia nuclear caiu de 579 estudantes no ano fiscal de 1994 para 177 no ano fiscal de 2024.

O que os estudantes aprendem com 0,01 watt

Cerca de 20 estudantes da Universidade de Tecnologia de Fukui participaram de uma sessão de treinamento em agosto no Instituto de Pesquisa em Energia Atômica da Kindai. Diante de um painel de controle, eles trabalharam para levar uma reação nuclear em cadeia a um estado estável.

Quando a leitura chegou a 0,01 watt, um estudante que participava do exercício anunciou o resultado:

0,01 watt. Atingimos a criticalidade.

Criticalidade significa que cada geração de fissões nucleares fornece nêutrons suficientes para sustentar a geração seguinte. Em um reator controlado, os operadores conseguem manter essa reação em um nível estável. Nesse caso, os estudantes a atingiram com apenas um centésimo da potência térmica máxima do reator.

O exercício permite aos estudantes relacionar cálculos a instrumentos, movimentos de controle e uma reação em cadeia real. Um reator com uma potência térmica tão baixa pode ensinar os princípios da operação de reatores sem gerar eletricidade.

Genichiro Wakabayashi, professor do instituto da Kindai, descreveu o objetivo do treinamento:

Quero que os estudantes aprendam o que é a energia nuclear e como ela pode ser usada com segurança.

O guia das instalações do reator da Kindai informa que o console de controle, em uma sala ao lado da sala do reator, foi projetado para que as operações de partida, desligamento e ajuste de potência sejam adequadas ao treinamento de estudantes.

Como funciona o reator de ensino

O reator UTR-KINKI tem cerca de 2 metros de altura e 4 metros de diâmetro. Muitas vezes chamado de reator de potência zero devido à sua potência extremamente baixa, ele usa água para desacelerar os nêutrons e grafite ao redor do núcleo para refletir alguns deles de volta na direção do combustível.

Nêutrons mais lentos ajudam a sustentar a fissão no combustível de urânio. O grafite ajuda a manter nêutrons disponíveis para a reação, enquanto as barras de controle permitem que os operadores a ajustem. A Kindai lista cinco detectores de nêutrons e quatro barras de controle entre os instrumentos usados para controlar a potência do reator.

O núcleo contém 12 elementos combustíveis planos feitos de uma liga de urânio e alumínio, divididos em dois grupos de seis. Essa disposição compacta atende a experimentos e treinamentos, e não à grande produção de calor necessária em uma usina nuclear comercial.

A Kindai informa que o reator tem atividade gama residual muito baixa. A blindagem permite o acesso à sala do reator durante a operação, e o monitoramento da radiação é feito no local. Assim, além de física de reatores, os estudantes aprendem proteção radiológica: blindagem, monitoramento e acesso controlado continuam fazendo parte do trabalho mesmo com potência muito baixa.

Mais de seis décadas de uso compartilhado

O histórico do instituto da Kindai identifica o UTR-KINKI como o primeiro reator privado e universitário do Japão. Seu desenvolvimento se estendeu da criação do instituto, em 1960, até a instalação posterior de estruturas que ampliaram suas aplicações de pesquisa.

• Abril de 1960: a Kindai criou o Instituto de Pesquisa em Energia Atômica para pesquisa e educação.
• Agosto de 1960: a instalação do reator foi aprovada.
• 11 de novembro de 1961: o reator atingiu a criticalidade pela primeira vez, com potência térmica de 0,1 watt.
• Outubro de 1974: a potência térmica máxima foi elevada para 1 watt.
• Janeiro de 1984: foram acrescentadas instalações para irradiação de pequenos animais, radiografia com nêutrons e ampliação da irradiação vertical.
• 27 de setembro de 2022: Japão e Estados Unidos anunciaram o compromisso de converter o combustível do reator.

A radiografia com nêutrons usa nêutrons para examinar o interior de objetos, assim como uma imagem de raios X revela estruturas internas usando outra forma de radiação. As instalações de irradiação permitem que pesquisadores exponham amostras à radiação em condições controladas.

Estudantes das universidades de Osaka, Kobe, Nagoya e Kyushu estão entre os que usam o reator da Kindai para educação e treinamento. O instituto também oferece oficinas e seminários para professores e para o público. Seu papel, portanto, vai além dos estudantes matriculados na própria universidade.

Instalação movimentada, com pouca receita direta

A Kindai opera o reator por cerca de 130 dias por ano, sem contar inspeções e outros trabalhos de manutenção. Além das aulas universitárias, empresas levam projetos que vão de pesquisas relacionadas ao tratamento do câncer a simulações de trabalhos de descomissionamento nuclear.

Wakabayashi descreveu a pressão sobre a agenda:

(É tão movimentado que) quase não há dias de folga.

A universidade calcula em cerca de 200 milhões de ienes por ano os custos de manutenção e segurança. As taxas de uso pagas por empresas e os subsídios governamentais para treinamento prático somam cerca de 6 milhões de ienes. Essa receita cobre aproximadamente 3% dos custos anuais informados, deixando cerca de 194 milhões de ienes a cargo da Kindai, que precisa cobri-los com outras fontes.

Essa comparação explica por que uma agenda de treinamento cheia pode coexistir com dificuldades financeiras. O reator atende estudantes de várias universidades e apoia pesquisas externas, enquanto a Kindai assume a maior parte das despesas recorrentes. O projeto de conversão, muito mais caro, viria além desse compromisso contínuo.

Por que o urânio precisa ser trocado

Os Estados Unidos forneceram originalmente o urânio altamente enriquecido usado na Kindai e querem que ele seja devolvido por preocupação com seu possível uso em armas nucleares. Enriquecimento é o processo de aumentar a proporção de urânio-235, a forma do urânio que sustenta com facilidade uma reação de fissão em cadeia. O combustível pouco enriquecido contém uma proporção menor do que o combustível altamente enriquecido.

A Administração Nacional de Segurança Nuclear dos EUA (NNSA, na sigla em inglês) e o Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia do Japão formalizaram o compromisso em seu anúncio de setembro de 2022. Os dois países concordaram em converter o UTR-KINKI para combustível pouco enriquecido e devolver aos Estados Unidos todo o seu urânio altamente enriquecido.

A NNSA informou que a Kindai havia se tornado o último reator de pesquisa do Japão a usar urânio altamente enriquecido depois da retirada desse material do Conjunto Crítico da Universidade de Kyoto. O acordo insere a Kindai em um esforço mais amplo para reduzir a quantidade de material nuclear que poderia ser usado em armas.

Depois da conversão, o combustível atual deverá ser transportado com segurança para os Estados Unidos, onde será diluído para se tornar urânio pouco enriquecido, destinado a outra forma de descarte, ou ambos. A diluição consiste em misturar material altamente enriquecido com urânio que contém menos urânio-235 para reduzir sua concentração.

Jill Hruby, então administradora da NNSA, descreveu a cooperação bilateral na cerimônia de assinatura:

Valorizamos nossa estreita relação bilateral com o Japão e esperamos anunciar a conclusão desse compromisso mais recente nos próximos anos.

Um compromisso de segurança com uma conta alta

A conversão deve custar dezenas de bilhões de ienes. Espera-se que a Kindai pague parte do valor, criando um segundo desafio financeiro além do déficit operacional anual. A mudança de combustível exige que o reator continue adequado às atividades de ensino e pesquisa com o material substituto.

Não foram divulgados um prazo definitivo para a conclusão da conversão nem a divisão final dos custos. A declaração de Hruby, de 2022, mencionava a conclusão nos anos seguintes, mas não estabelecia um prazo público específico para a universidade.

Ao anunciar o acordo com a Kindai, a NNSA descreveu um programa muito mais amplo. No início de 2022, o presidente dos Estados Unidos, Joe Biden, e o primeiro-ministro japonês, Fumio Kishida, haviam anunciado a retirada de mais de 30 quilos de urânio altamente enriquecido de três reatores de pesquisa japoneses.

Na ocasião, o Escritório de Gestão e Minimização de Materiais da NNSA informou ter convertido ou confirmado o desligamento de 108 reatores de pesquisa e instalações de produção de isótopos médicos no mundo. Também relatou a retirada ou a confirmação do destino de quase 7.275 quilos de material nuclear que poderia ser usado em armas.

O desafio da Kindai está no ponto de encontro entre esses objetivos de segurança e o financiamento da educação. Os dois governos se comprometeram a retirar o combustível atual, enquanto a continuidade do treinamento prático depende de a universidade conseguir arcar com o custo do novo arranjo.

Menos estudantes, menos lugares para treinar

O Japão já teve seis reatores de ensino instalados em universidades. Restam apenas dois, e a suspensão temporária das atividades na Universidade de Kyoto deixa a Kindai como a única instalação universitária em operação. A expectativa é que o treinamento prático em Kyoto seja retomado apenas no ano fiscal seguinte, embora não tenha sido especificada uma data no calendário.

Dados do Ministério da Educação registram 177 novos estudantes em departamentos e cursos relacionados à energia nuclear no ano fiscal de 2024, ante 579 no ano fiscal de 1994. A queda foi de 402 estudantes, ou cerca de 69%. O ingresso mais recente equivale a aproximadamente 31% do número anterior.

As estatísticas estudantis de 2015 do ministério, extraídas das Estatísticas Básicas das Escolas, mostram que a queda começou antes do desastre de Fukushima. O documento aponta o pico de novos ingressantes no ano fiscal de 1992, seguido por um declínio, uma recuperação a partir do ano fiscal de 2007 e nova queda depois do terremoto e do desastre de 2011.

O mesmo documento aponta o pico do total de estudantes matriculados no ano fiscal de 1994. Os novos ingressantes correspondem aos estudantes que chegam em determinado ano; o total de matriculados inclui também quem já está no meio do curso. As duas medidas ajudam a explicar diferentes partes do estreitamento da formação de profissionais.

Wakabayashi alertou que o acesso a um reator de verdade pode influenciar onde os futuros especialistas vão estudar:

Se os reatores de ensino desaparecerem, os jovens poderão acabar indo para o exterior.

A necessidade de profissionais também inclui o descomissionamento

A mudança do Japão em direção a um uso maior da energia nuclear aumenta a demanda por profissionais que entendam de operação de reatores e segurança radiológica. Instalações antigas também precisam de especialistas capazes de planejar e executar o descomissionamento, processo de desativação segura de uma usina e de tratamento de suas estruturas e materiais radioativos.

Shunji Matsuoka, professor da Universidade Waseda especializado em economia e políticas ambientais, afirmou que a experiência prática com reatores de ensino é importante tanto para a operação de usinas comerciais quanto para o descomissionamento.

Matsuoka também defendeu que as universidades relacionem a formação técnica à responsabilidade pública. Segundo ele, elas precisam:

demonstrar transparência na operação dos reatores, ampliar a compreensão de seu valor para a sociedade e formar especialistas em energia nuclear que sejam abertos e atuantes na sociedade.

A Kindai já reúne vários aspectos desse trabalho: estudantes aprendendo a controlar reatores, empresas testando ideias relacionadas ao descomissionamento de instalações e programas de educação pública. O problema de financiamento diz respeito à continuidade dessas atividades, além do compromisso internacional de substituir o combustível.

A decisão central é como pagar por uma instalação cujos usuários vão além da instituição que a mantém. Wakabayashi busca mais apoio do governo. Como a receita anual cobre apenas cerca de 3% dos custos de manutenção e segurança, e uma grande despesa de conversão se aproxima, o pedido envolve tanto a operação cotidiana quanto a capacidade de o reator continuar ensinando com outro combustível.

Principais pontos

• O reator da Kindai, em Higashiosaka, é o único reator universitário em operação no Japão e treinou mais de 250 estudantes no ano fiscal de 2024.
• A manutenção e a segurança custam cerca de 200 milhões de ienes por ano, diante de aproximadamente 6 milhões de ienes em taxas pagas por empresas e subsídios governamentais para treinamento.
• Japão e Estados Unidos se comprometeram, em setembro de 2022, a substituir o urânio altamente enriquecido do reator e devolver o combustível atual aos Estados Unidos.
• Estima-se que a conversão custe dezenas de bilhões de ienes, e espera-se que a Kindai arque com parte da despesa.
• O ingresso em departamentos e cursos universitários relacionados à energia nuclear caiu de 579 estudantes no ano fiscal de 1994 para 177 no ano fiscal de 2024.
• A instalação oferece treinamento em operação de reatores e pesquisa, além de atividades relacionadas ao descomissionamento.