AI数据中心真心费电微软、甲骨文陆续启动小型核反应堆计划

  核电站技术的迭代，目前已经到了第四代，这一代核电技术安全标准提升到可以让核电站近50万人口的城市附近落地。但这显然还不足以说服居民。那如果是更容易落地、主打安全牌的SMR（小型模块化反应堆）呢？

  本月初，甲骨文（ORCL）获得了建造三座核反应堆的许可，这些是为AI数据中心供电的小型模块化核反应堆（Small Modular Reactor，简称SMR）。下旬，微软公司也和星座能源公司达成协议，未来20年内购买三里岛核电站100% 能源。

  甲骨文董事长兼联合创始人拉里•埃里森在公司收益电话会议上告诉投资者，人工智能的电力需求变得如此“疯狂”，以至于甲骨文正在寻求从下一代核技术中获取电力。 该公司正在设计一个数据中心，将需要超过1000兆瓦的电力。

  甲骨文的数据中心将由三个小型核反应堆提供动力，而此之前，甲骨文在世界各地有162座云端数据中心，有些已开始运作、有些还在建造中。其中顶级规模者为800MW，配备许多英伟达GPU丛集，能够训练全球顶级规模的AI模型。

  随着数据中心、制造业和更广泛的经济电气化的电力需求上升，小型模块化核反应堆是一种新的设计，有望加快可靠、无碳能源的部署。一般来说，这些反应堆的功率为300兆瓦或更小，大约是美国现有典型反应堆的三分之一。它们将被预制成几块，然后在现场组装，以此来降低阻碍大型工厂的高资本成本。

  小型模块化反应堆是一种未来的技术，核工业的高管们一致认为，在本世纪30年代之前，小型模块化反应堆不会在美国商业化。根据核能机构的数据，目前世界上有三个正在运行的小型模块化反应堆，在中国、俄罗斯和日本运行。

  SMR和之前说的第四代核电站技术是两个有交叉、但侧重点完全不同的概念。SMR的全称是“Small Modular Reactor”，通常指的是功率比较小、可以模块化制造和部署的小型核反应堆，更像是一个工程概念，它能灵活适应不一样的电力需求并且更安全——事故发生时能做到自动停堆。

  第四代核电站则指的是下一代核能技术的发展趋势，也强调安全性、经济性和可持续性，比如在设计中考虑使用更耐久的材料和先进的冷却系统，且通常涉及更高能效和新的燃料循环设计，此前介绍过“钠冷快中子反应堆”为代表的“快中子反应堆”，就是第四代核电站技术中典型，它们能利用此前从未参与反应的铀-238，同时减少核废料的产生。

  总的来说，SMR的主要标签是模块化和较小的发电规模，第二代、第三代或者第四代技术都能应用其中并成为SMR，所以现在不同国家的核能项目都有其身影。据国际原子能机构（IAEA）统计，全世界内正在开发的小型堆技术有超过80种。

  而第四代核电站目前要么是在开发阶段，要么是示范项目阶段，距离大规模商用还远得很。

  SMR到底有多小？从发电容量来看，国内大多数商业运行的核反应堆发电量在600MW（兆瓦或百万瓦）到1200MW之间，常见的大型核反应堆包括“压水堆核电站（第二代核电技术代表）”，如我国第一座国产反应堆“华龙一号反应堆”，其单个机组的发电容量在1100MW左右；作为对比，SMR单个机组的发电量通常在20-300MW之间。

  我国位于海南昌江的“玲龙一号（ACP100）”反应堆，其实就是全球首个陆上商用SMR，堆型属于压水堆，2021年开始建设，预计到2026年就能正式投运。虽然未提及过具体是单机组还是多机组，但是有官方信息提到过是“100兆瓦级的反应堆”，整个核岛的面积只有“华龙一号”的三分之一。

  根据这一些数据，笔者预计玲龙一号一年的发电量在8-10亿度之间，能满足海南约52万户家庭用电需求。

  “小”在发电规模和占地面积，“模块化”则在于灵活。业内人士解释，常见的核电站反应堆就像一个台式电脑，显示器、主机、键盘等部件要慢慢组装拼配，但是SMR这种小堆就像一个笔记本电脑，显示器、主机、键盘都集合在一起，到货即插即用。

  反应堆一般由堆芯、冷却系统、反应堆容器等部件构成。SMR反应堆中，蒸汽发生器（冷却系统的重要组成部分）、主泵、堆内构件、驱动机构等零部件都集中于能承受压力的容器上，不需要主管道连接，反应堆核心模块运到现场进行后续装配调试即可；常规反应堆中，能承受压力的容器和蒸汽发生器都要分别安装，还要在现场焊接主管道，风险要更大一些。

  参与玲龙一号建设的中核集团中国核动力研究设计院总设计师宋丹戎在采访中曾提到，优化之后的玲龙一号不仅能在陆上发电，还能放置于船上成为浮动电站，“类似于海上移动充电宝”，为企业海外临港活动、海上平台等迅速供电，无须牵涉在他国建设核电厂的漫长过程，只需将浮动电站船入港接电就完成，遇到紧急事故或是战乱，还能迅速移走，例如俄罗斯2019年就已经在北部楚科奇地区试运行海上可移动SMR。但这种海上应用的开发我国还在推动中，关注的军迷慢慢等待即可。

  之前文章中提到过，山东“石岛湾核电站”是全球第一座并网发电的第四代核电站，堆型上看，是“球床模块式高温气冷堆核电站”，由两座模块化反应堆组合而成，每一个模块都是一座可以独立运行的小反应堆，能随时连续地装卸核燃料。既强调模块化也强调安全性，这其实也可以视为一类SMR。

  但因为它的规模比较大，远超IAEA对SMR的定义，所以一般不直接称其为SMR。只不过“石岛湾1号反应堆”在200兆瓦级，我们单讲一下它会怎么实现“自动停堆”。

  传统压水堆是用水作为冷却剂，高温气冷堆是用惰性气体氦气进行堆芯冷却和传热，优点是不需要过多的担心锆水反应产生爆炸风险，还能承受更高的反应温度，因此热转换效率更好。但是这还不是保证安全的重点，重点是石岛湾核电站的反应堆设计。

  在如同沙漏般的反应堆中，常见的燃料棒被做成了直径6厘米的燃料球，12000颗燃料球像沙漏中的沙子一般填充于反应炉内。球中心是铀燃料，有四层耐高温的陶瓷“盔甲”将其层层包裹，最外层包裹的是在这里充当“中子减速剂”的石墨。这些燃料球可以从下方取出，可以从上方填充，氦气则会从燃料球中通过，带走热量。

  为什么说它安全？一般参与反应的是铀燃料中仅占0.5%的铀-235，剩下超九成的铀-238是不参与反应的。当炉内温度飙高时，燃料球中铀-238的中子捕获能力也会随之增强，它们会抢走铀-235的中子，让连锁反应停止。此外，高温气冷堆本来就是耐高温的设计，就算遇上电力、机械都停止的极端条件下，高温气冷堆的温度也会维持在1600摄氏度以下。当然，高温气冷堆也设计有控制棒，我们所说的只是最极端的条件。

  总的来说，“高温气冷堆”本身不是专门的SMR，但可以被设计成SMR，并且这种设计在技术和应用上具有一定的优势。目前还不太确定的，就是燃料球在摩擦过程中会不会造成破裂，要进一步观察研究。

  可能读者都有个疑问，不管是风电、水电还是核电，通常大家不都是想要发电量越大越好吗，为什么现在SMR成了热点？那是因为只有小发电量的核电站才能做到安全、易组装和造价便宜，这些都是核电60余年发展过程中的痛点。

  如果还维持以往漫长的建造时间和昂贵的度电成本，根本不会吸引电力公司参与其中。根据彭博新能源财经的数据，从2009年到2021年，可再次生产的能源如风能和太阳能的建设成本分别减少了72%和90%，核能却增加了36%；如果比较度电成本（LCOE），核电更是其他可再次生产的能源的4.5倍。加上传统核电站动辄6-10年的建造时间，就算它再清洁、再高效，以营利为目标的企业也会选择其他能源。

  而SMR就不一样了，它不仅成本更低且能用于为较小规模的电网发电，也就是更贴近小型社区、城市，还会比现行的反应堆更为安全，多造几个好像也没什么大问题。换句话说，安全性只是SMR的优势之一，好建造、更便宜才是未来更易推广的必备条件。

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