新一代核能技术：AI时代的终极解决方案？

新一代核能技术：AI时代的终极解决方案？

国际原子能机构2024年10月与中国海南核电公司签署全球首个小型模块化反应堆（简称“SMR”或“小堆”）能力建设执行协议，双方将在全球范围内帮助国际原子能机构成员国开展小堆设计、建设以及运行准备等活动。

小型模块化核能反应炉：第四代核能技术的突破

回顾核电技术发展，世界上第一代核电技术主要是指1940年代末期到1960年代初期的原型反应炉，第二代是1960年代中期到1990年代中期的商用轻水反应炉，第三代反应炉是采用更可靠的燃料跟反应炉炉芯和被动冷却系统的轻水反应炉。目前世界主流的核电技术属于“第三代”。未来有望商用普及的第四代反应炉自然更先进，种类也更加多样化，通过新的反应炉技术、材料和制造工艺，有望降低成本并提高电厂安全性。其中，小型模块化核能反应炉（SMR）是近年来新一代核能技术的突破口之一。顾名思义，相较于传统核反应炉，SMR的尺寸跟规模更小，致力于打造出小于300MW的核反应炉，大约是传统核电厂发电能力的三分之一。SMR技术的优点是模块化设计，可以将机组拆分成多个部分，在现场一次安装多个小型反应炉，或是在工厂构建完后直接搬到现场，有利于避免传统核电厂工程浩大、耗时昂贵的老问题，实现规模化量产。同时，可以依照客户需求定制，对于小型和相对偏远的社区，能灵活配置SMR为几千户家庭或企业供电，或配置多个反应炉，为城市数百万人供电供暖。

SMR的技术迭代在不断发展

本世纪初，IAEA就提出了积极鼓励研发小型堆的倡议，世界核能发达国家大多在积极研发不同路线的SMR：美国投入4.52亿美元支持为期5年的小堆研发计划，包括巴威公司（B&W）、西屋公司在内的美国多家企业提出了6种不同的小堆设计；中核集团研发的我国首个模块式小型堆—ACP100极具商业化潜力；俄罗斯有5种不同的小堆原型堆正在同步研发等。据国际原子能机构(IAEA)称，全球目前正在开发80多种商业SMR设计，包括现有的轻水反应炉较小版本，例如美国、法国、日本和其他地方的轻水反应炉，以及更“先进”的设计，如比尔盖茨创办Terrapower采用的钠冷快中子反应炉，以及高温气体反应炉和熔盐反应器等。虽然短期内，SMR在商用化征程上或许还存在技术经济性等方面壁垒，但美国、中国、俄罗斯、英国、加拿大、阿根廷、韩国，甚至加纳都已处于在建或许可阶段。值得一提的是，SMR的技术迭代似乎也在加速推进。诸如，英国的谢菲尔德锻造公司研发出一种革命性方法-局部电子束焊接（LEBW）技术，将容纳反应堆堆芯的容器焊接过程从之前的一年缩短到一天，完成了四个厚的核级焊接。中国的核电企业-中核集团抓住战略机遇，与国际同时起步，研发了ACP100，使我国成为领先者。同时，我国还拥有目前世界上唯一一个在陆地上运行的SMR商业小堆。

人工智能的蓬勃发展亟需高效清洁能源支持

近年来，AI等新兴技术的快速发展带动全球数据中心规模扩大，并导致大量的用电需求。根据国金证券测算，到2035年，谨慎、中性、乐观情形下全球数据中心耗电量将增至1544.38/2321.05/3911.11TWh，相比2023年的414TWh，CAGR分别为11.60%/15.45%/20.58%。在AI领域，仅一个ChatGPT查询所消耗的能源就几乎是谷歌搜索的10倍，遑论更复杂的生成式AI应用耗费的能源更多。科技公司发现风能和太阳能较难保证稳定的电力供应，开始大力押注SMR为代表的新一代核能技术，以无碳的形式，稳定可靠地获取电力支持。据Wood Mackenzie，甲骨文、微软、谷歌、亚马逊等美国科技巨头公布SMR项目的投资储备总资金约1760亿美元。随着AI数据基建“定制化”和“清洁化”要求，相对于“风光”等供能不甚稳定的清洁能源而言，以SMR为代表的新一代核电技术成为日益受到重视的清洁稳定供电方案。2023年至2024年期间，海外数据中心公司陆续公布了较多与核电的合作协议，合作模式主要聚焦于SMR建设。不过，基于技术和成本等方面原因，目前全球仅少量SMR已投产，大多还处于在建或规划阶段。国际著名的法维翰调查咨询公司预测，到2030年，全球将有1820万千瓦的SMR运行。美国芝加哥大学等国际研究机构也预测，到2050年，在经合组织与非经合组织国家，SMR可占核电装机容量的25%左右。未来，SMR或许将创建一个新的核工业。