Japans letzter in Betrieb befindlicher Hochschulreaktor steht vor kostspieligem Brennstoffwechsel und Finanzierungslücke

Ein winziger Reaktor, eine wachsende Ausbildungslast

Der Lehrreaktor der Kindai-Universität in Higashiosaka in der Präfektur Osaka erzeugt höchstens 1 Watt Wärme – weniger als eine Kerzenflamme. Sein Betrieb kostet nach Angaben der Universität jährlich rund 200 Millionen Yen. Einnahmen aus Nutzungsgebühren von Unternehmen und staatlichen Ausbildungszuschüssen belaufen sich dagegen auf lediglich etwa 6 Millionen Yen. Nun droht ein vorgeschriebener Wechsel des Uranbrennstoffs eine wesentlich höhere Rechnung nach sich zu ziehen.

Der Reaktor ist derzeit der einzige Hochschulreaktor in Japan, der in Betrieb ist. Die einzige weitere verbliebene Anlage an der Universität Kyoto ist vorübergehend stillgelegt. Im Haushaltsjahr 2024 wurden an der Kindai mehr als 250 Studierende ausgebildet. Unternehmen nutzen den Reaktor außerdem für die Krebsforschung und Experimente im Zusammenhang mit dem Rückbau von Atomanlagen.

Japan und die USA verpflichteten sich im September 2022, das hoch angereicherte Uran des Reaktors durch schwach angereichertes Uran zu ersetzen und den vorhandenen Brennstoff in die USA zurückzubringen. Der Umbau dürfte mehrere zehn Milliarden Yen kosten; Kindai soll einen Teil davon tragen.

Der finanzielle Druck wächst, während Japan nach Jahren des Bemühens, die Abhängigkeit von der Kernenergie infolge der Katastrophe von Fukushima Daiichi zu verringern, wieder stärker auf Kernkraft setzt. Zugleich braucht das Land Fachkräfte, die ältere Reaktoren sicher zurückbauen können. Zahlen des Bildungsministeriums zeigen jedoch, dass die Zahl der Studienanfänger in kerntechnischen Fachbereichen und Studiengängen von 579 im Haushaltsjahr 1994 auf 177 im Haushaltsjahr 2024 zurückging.

Was Studierende bei 0,01 Watt lernen

Im August nahmen rund 20 Studierende der Fukui University of Technology an einer Ausbildungseinheit am Forschungsinstitut für Atomenergie der Kindai teil. Am Bedienpult arbeiteten sie darauf hin, eine nukleare Kettenreaktion in einen stabilen Zustand zu bringen.

Als die Anzeige 0,01 Watt erreichte, verkündete ein teilnehmender Student das Ergebnis:

0,01 Watt. Wir haben den kritischen Zustand erreicht.

Der kritische Zustand bedeutet, dass jede Generation von Kernspaltungen genügend Neutronen hervorbringt, um die nächste Generation aufrechtzuerhalten. In einem kontrollierten Reaktor können die Betreiber die Reaktion auf einem gleichmäßigen Niveau halten. Hier erreichten die Studierenden ihn bei lediglich einem Hundertstel der maximalen Wärmeleistung des Reaktors.

Bei der Übung können Studierende Berechnungen mit Messgeräten, Steuerbewegungen und einer tatsächlichen Kettenreaktion verknüpfen. Ein Reaktor mit einer so geringen Wärmeleistung kann die Grundsätze des Reaktorbetriebs vermitteln, ohne Strom zu erzeugen.

Genichiro Wakabayashi, Professor am Forschungsinstitut der Kindai, beschrieb den Zweck der Ausbildung so:

Ich möchte, dass die Studierenden lernen, was Kernenergie ist und wie sie sicher genutzt werden kann.

Im Leitfaden zur Reaktoranlage der Kindai heißt es, die Bedienkonsole befinde sich in einem Raum neben dem Reaktorraum. Sie sei so konzipiert, dass sich Anfahren, Abschalten und Leistungsanpassungen für die Ausbildung von Studierenden eignen.

Wie der Lehrreaktor funktioniert

Der UTR-KINKI-Reaktor ist etwa 2 Meter hoch und hat einen Durchmesser von rund 4 Metern. Weil seine Leistung äußerst gering ist, wird er oft als Nullleistungsreaktor bezeichnet. Wasser dient dazu, Neutronen abzubremsen; Graphit um den Kern reflektiert einen Teil der Neutronen zurück zum Brennstoff.

Langsamere Neutronen tragen dazu bei, die Spaltung im Uranbrennstoff aufrechtzuerhalten. Das Graphit sorgt dafür, dass Neutronen für die Reaktion verfügbar bleiben, während die Steuerstäbe den Betreibern Anpassungen ermöglichen. Laut Kindai gehören fünf Neutronendetektoren und vier Steuerstäbe zu den Instrumenten zur Regelung der Reaktorleistung.

Der Kern enthält zwölf flache Brennelemente aus einer Uran-Aluminium-Legierung, aufgeteilt in zwei Gruppen zu je sechs Elementen. Diese kompakte Anordnung eignet sich für Experimente und Ausbildung, nicht für die hohe Wärmeproduktion, die ein kommerzielles Kernkraftwerk benötigt.

Nach Angaben der Kindai ist die verbleibende Gammastrahlung des Reaktors sehr gering. Die Abschirmung ermöglicht den Zugang zum Reaktorraum während des Betriebs; dort wird die Strahlung überwacht. Studierende lernen daher neben der Reaktorphysik auch den Strahlenschutz: Abschirmung, Überwachung und kontrollierter Zugang gehören selbst bei sehr niedriger Leistung zum Arbeitsalltag.

Mehr als sechs Jahrzehnte gemeinsamer Nutzung

In der Geschichte des Instituts bezeichnet die Kindai den UTR-KINKI als Japans ersten privaten Hochschulreaktor. Seine Entwicklung erstreckte sich von der Gründung des Instituts im Jahr 1960 bis zu späteren Erweiterungen, die seine Einsatzmöglichkeiten für die Forschung vergrößerten.

• April 1960: Die Kindai gründete das Forschungsinstitut für Atomenergie zu Forschungs- und Ausbildungszwecken.
• August 1960: Die Installation des Reaktors wurde genehmigt.
• 11. November 1961: Der Reaktor erreichte erstmals den kritischen Zustand, bei einer Wärmeleistung von 0,1 Watt.
• Oktober 1974: Die maximale Wärmeleistung wurde auf 1 Watt erhöht.
• Januar 1984: Anlagen für die Bestrahlung von Kleintieren, Neutronenradiografie und eine erweiterte vertikale Bestrahlung wurden hinzugefügt.
• 27. September 2022: Japan und die USA kündigten ihre Verpflichtung an, den Brennstoff des Reaktors umzurüsten.

Bei der Neutronenradiografie werden Neutronen verwendet, um das Innere von Objekten zu untersuchen – ähnlich wie ein Röntgenbild innere Strukturen mithilfe einer anderen Strahlungsart sichtbar macht. Bestrahlungsanlagen ermöglichen es Forschenden, Proben unter kontrollierten Bedingungen Strahlung auszusetzen.

Studierende der Universitäten Osaka, Kobe, Nagoya und Kyushu gehören zu denen, die den Reaktor der Kindai für Lehre und Ausbildung nutzen. Das Institut bietet außerdem Workshops und Seminare für Lehrkräfte und die Öffentlichkeit an. Seine Bedeutung reicht damit über die Studierenden der eigenen Universität hinaus.

Eine stark ausgelastete Anlage mit geringen direkten Einnahmen

Die Kindai betreibt den Reaktor etwa 130 Tage im Jahr, Inspektionen und sonstige Wartungsarbeiten nicht eingerechnet. Neben Lehrveranstaltungen der Universität bringen externe Nutzer Projekte ein, die von der Krebsforschung bis zu Simulationen von Arbeiten beim Rückbau von Kernkraftwerken reichen.

Wakabayashi beschrieb den Termindruck:

(Es ist so viel los,) dass es kaum freie Tage gibt.

Die Universität beziffert die jährlichen Wartungs- und Sicherheitskosten auf rund 200 Millionen Yen. Nutzungsgebühren von Unternehmen und staatliche Zuschüsse für praktische Ausbildung bringen zusammen etwa 6 Millionen Yen ein. Damit decken diese Einnahmen rund 3 Prozent der ausgewiesenen Jahreskosten; die verbleibenden etwa 194 Millionen Yen muss die Kindai aus anderen Mitteln aufbringen.

Dieser Vergleich erklärt, warum ein voller Ausbildungsplan mit finanziellen Schwierigkeiten einhergehen kann. Der Reaktor dient Studierenden mehrerer Hochschulen und unterstützt externe Forschung, während die Kindai den Großteil der laufenden Kosten trägt. Das wesentlich größere Umbauprojekt käme zu dieser fortlaufenden Belastung hinzu.

Warum der Uranbrennstoff ersetzt werden muss

Die USA lieferten ursprünglich das an der Kindai verwendete hoch angereicherte Uran und verlangten dessen Rückgabe, weil sie einen möglichen Einsatz in Kernwaffen befürchteten. Anreicherung bezeichnet die Erhöhung des Anteils von Uran-235, jener Uranform, die eine Kettenreaktion von Kernspaltungen leicht aufrechterhalten kann. Schwach angereicherter Brennstoff enthält einen geringeren Anteil davon als hoch angereicherter.

Die US-amerikanische National Nuclear Security Administration und das japanische Ministerium für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie legten die Verpflichtung in ihrer Mitteilung vom September 2022 dar. Sie vereinbarten, den UTR-KINKI auf schwach angereicherten Brennstoff umzustellen und das gesamte hoch angereicherte Uran an die USA zurückzugeben.

Nach Angaben der NNSA war die Kindai nach der Entfernung dieses Materials aus der kritischen Anordnung der Universität Kyoto der letzte Forschungsreaktor Japans, der hoch angereichertes Uran verwendete. Die Vereinbarung ist Teil der umfassenderen Bemühungen, die Menge an Kernmaterial zu verringern, das für Waffen verwendet werden könnte.

Nach der Umrüstung soll der vorhandene Brennstoff sicher in die USA transportiert werden, um dort durch Verdünnung in schwach angereichertes Uran umgewandelt, anderweitig entsorgt oder beides zu werden. Bei der Verdünnung wird hoch angereichertes Material mit Uran vermischt, das weniger Uran-235 enthält, um dessen Konzentration zu senken.

Jill Hruby, damals Leiterin der NNSA, beschrieb die bilaterale Zusammenarbeit bei der Unterzeichnungszeremonie:

Wir schätzen unsere enge bilaterale Beziehung zu Japan und freuen uns darauf, in den kommenden Jahren den Abschluss dieser jüngsten Verpflichtung bekannt zu geben.

Sicherheitsverpflichtung mit hoher Rechnung

Die geschätzten Kosten der Umrüstung belaufen sich auf mehrere zehn Milliarden Yen. Die Kindai soll einen Teil davon übernehmen und steht damit neben dem jährlichen Betriebsdefizit vor einer zweiten finanziellen Herausforderung. Der Brennstoffwechsel muss so umgesetzt werden, dass der Reaktor mit dem Ersatzbrennstoff weiterhin für seine Lehr- und Forschungsaufgaben geeignet ist.

Ein verbindlicher Termin für den Abschluss der Umrüstung und eine endgültige Aufteilung der Kosten wurden nicht genannt. Hrubys Erklärung von 2022 verwies auf einen Abschluss in den kommenden Jahren, ohne in der Mitteilung eine öffentlich festgelegte Frist für die Universität zu nennen.

Bei der Bekanntgabe der Vereinbarung mit der Kindai beschrieb die NNSA ein deutlich umfassenderes Programm. Anfang 2022 hatten US-Präsident Joe Biden und Japans Ministerpräsident Fumio Kishida die Entfernung von mehr als 30 Kilogramm hoch angereichertem Uran aus drei japanischen Forschungsreaktoren angekündigt.

Das Büro für Materialmanagement und -minimierung der NNSA erklärte damals, weltweit seien 108 Forschungsreaktoren und Anlagen zur Herstellung medizinischer Isotope umgerüstet oder nachweislich stillgelegt worden. Zudem seien knapp 7.275 Kilogramm waffenfähiges Kernmaterial entfernt oder nachweislich anderweitig behandelt worden.

Die Herausforderung für die Kindai liegt dort, wo Sicherheitsziele auf die Finanzierung der Ausbildung treffen. Beide Regierungen haben sich zur Entfernung des vorhandenen Brennstoffs verpflichtet; die Fortsetzung der praktischen Ausbildung hängt jedoch davon ab, ob die Universität die Ersatzlösung finanzieren kann.

Weniger Studierende, weniger Ausbildungsplätze

Früher gab es in Japan sechs Lehrreaktoren an Hochschulen. Heute sind nur noch zwei übrig. Da die Anlage der Universität Kyoto vorübergehend stillgelegt ist, ist die Kindai der einzige Hochschulstandort mit einem Reaktor in Betrieb. Die praktische Ausbildung in Kyoto soll frühestens im folgenden Haushaltsjahr wieder aufgenommen werden; ein konkretes Kalenderdatum wurde jedoch nicht genannt.

Nach Zahlen des Bildungsministeriums begannen im Haushaltsjahr 2024 insgesamt 177 Studierende ein Studium in kerntechnischen Fachbereichen und Studiengängen, verglichen mit 579 im Haushaltsjahr 1994. Das ist ein Rückgang um 402 Studierende beziehungsweise rund 69 Prozent. Die jüngere Zahl entspricht etwa 31 Prozent des früheren Werts.

Die Studierendenstatistik von 2015 des Ministeriums, die auf der Schulgrundstatistik beruht, zeigt, dass der Rückgang bereits vor der Katastrophe von Fukushima einsetzte. Dem Dokument zufolge erreichte die Zahl der Studienanfänger im Haushaltsjahr 1992 ihren Höchststand. Danach ging sie zurück, erholte sich ab dem Haushaltsjahr 2007 und sank nach dem Erdbeben und der Katastrophe von 2011 erneut.

Den Höchststand bei der Gesamtzahl der Studierenden verzeichnet das Dokument im Haushaltsjahr 1994. Die Zahl der Studienanfänger erfasst die Studierenden, die in einem bestimmten Jahr ihr Studium beginnen; die Gesamtzahl umfasst auch Studierende, die sich bereits mitten im Studium befinden. Beide Kennzahlen zeigen unterschiedliche Aspekte der schrumpfenden Ausbildungspipeline.

Wakabayashi warnte, dass der Zugang zu einem echten Reaktor die Wahl des Studienorts künftiger Fachkräfte beeinflussen könnte:

Wenn Lehrreaktoren verschwinden, könnten junge Menschen ins Ausland gehen.

Der Bedarf an Fachkräften reicht bis zum Rückbau von Reaktoren

Japans Kurswechsel hin zu einer stärkeren Nutzung der Kernenergie schafft einen Bedarf an Fachkräften, die sich mit Reaktorbetrieb und Strahlenschutz auskennen. Für ältere Anlagen werden außerdem Spezialisten benötigt, die den Rückbau planen und durchführen können – also die sichere Stilllegung einer Anlage und den Umgang mit ihren Gebäuden und radioaktiven Materialien.

Shunji Matsuoka, Professor an der Waseda-Universität mit den Schwerpunkten Umweltökonomie und Umweltpolitik, sagte, praktische Erfahrung an Lehrreaktoren sei sowohl für den Betrieb kommerzieller Anlagen als auch für deren Rückbau wichtig.

Matsuoka forderte außerdem, dass Hochschulen technische Ausbildung mit öffentlicher Rechenschaftspflicht verbinden. Sie müssten:

transparent darlegen, wie die Reaktoren betrieben werden, das Verständnis für ihren gesellschaftlichen Wert fördern und Kerntechnik-Fachkräfte ausbilden, die offen sind und den Austausch mit der Gesellschaft suchen.

An der Kindai kommen bereits mehrere Aspekte dieser Aufgabe zusammen: Studierende lernen den Umgang mit der Reaktorsteuerung, Unternehmen prüfen Ideen im Zusammenhang mit dem Rückbau von Anlagen und es gibt Angebote zur öffentlichen Bildung. Bei der Finanzierung geht es darum, diese Aktivitäten langfristig verfügbar zu halten und zugleich die internationale Verpflichtung zum Brennstoffwechsel zu erfüllen.

Im Mittelpunkt steht die Frage, wie eine Anlage finanziert werden kann, deren Nutzerkreis über die betreibende Hochschule hinausgeht. Wakabayashi setzt sich für mehr staatliche Unterstützung ein. Da die jährlichen Einnahmen nur etwa 3 Prozent der Wartungs- und Sicherheitskosten decken und ein kostspieliger Umbau bevorsteht, betrifft diese Forderung sowohl den laufenden Betrieb als auch die Fähigkeit des Reaktors, mit einem anderen Brennstoff weiter der Ausbildung zu dienen.

Die wichtigsten Punkte

• Der Reaktor der Kindai in Higashiosaka ist Japans einziger derzeit in Betrieb befindlicher Hochschulreaktor; im Haushaltsjahr 2024 wurden dort mehr als 250 Studierende ausgebildet.
• Wartung und Sicherheit kosten jährlich rund 200 Millionen Yen. Einnahmen aus Unternehmensgebühren und staatlichen Ausbildungszuschüssen betragen dagegen etwa 6 Millionen Yen.
• Japan und die USA verpflichteten sich im September 2022, das hoch angereicherte Uran des Reaktors zu ersetzen und den vorhandenen Brennstoff in die USA zurückzubringen.
• Die Umrüstung dürfte mehrere zehn Milliarden Yen kosten; die Kindai soll einen Teil davon übernehmen.
• Die Zahl der Studienanfänger in kerntechnischen Fachbereichen und Studiengängen sank von 579 im Haushaltsjahr 1994 auf 177 im Haushaltsjahr 2024.
• Die Anlage unterstützt die Ausbildung im Reaktorbetrieb, die Forschung und Arbeiten im Zusammenhang mit dem Rückbau von Kernkraftwerken.