科技巨頭紛紛布局，人工智能的巨大能源需求會帶來核能的復興嗎？

2023年10月，科技巨頭谷歌和亞馬遜分別宣布了支持“先進”核能的合作協議，作為實現其碳中和目標的手段之一。

谷歌宣布將會購買Kairos Power公司 （位于美國加利福尼亞州阿拉米達） 研發的核反應堆所生產的電力。與此同時，亞馬遜正注資約5億美元馬里蘭州羅克維爾的X-Energy反應堆公司，并同意購買由其設計、將于華盛頓州建造的反應堆所生產的電力。

撐起人工智能 （AI） 的數據中心和計算集群的能源需求日益攀升，隨著科技公司著手應對這一問題，更加宏大的綠色圖景已然展現，上述行動正是其中的一部分。此前，微軟也宣布將從一家公共事業公司購買電力，該公司計劃重啟賓夕法尼亞州三哩島核電站的一座已退役的835兆瓦反應堆。

與谷歌、亞馬遜達成的合作協議，涉及一些正引領著“小型模塊化反應堆” （Small Modular Reactors，SMRs） 設計的初創公司。 這種反應堆將由預制組件組裝而成，預期將比傳統核電站中的反應堆更小、更便宜、更安全、可更快建造。 X-energy、Kairos和其它幾家公司 （部分資金由美國能源部和歐盟委員會等機構提供） 所追求的設計與老牌能源公司的設計截然不同， 但距離成為現實仍有一段長路。

《自然》與核能研究專家們探討了這些大型科技公司投資的意義及其可能的影響。

一、這些合作是否能推動核工業創新？

建設核電站——一項常受許可程序復雜、施工延期以及成本超支等問題干擾的工程——已有很高的財務風險，賭在未經驗證的技術上更是前途未卜。然而，與谷歌和亞馬遜的合作能為Kairos和X-energy提供“巨大的”推動力，美國麻省理工大學高級核能系統中心主任、核工程師Jacopo Buongiorno說。他指出：“很大價值在于宣告了信任，當然也帶來了資金。”這一宣告可能會幫助這些公司吸引更多資金，他說，從而跨越那道常常令創新理念無法躍向商業成功的“創新死亡谷”。

不過，這些協議的細節并不清晰，而且相較于這些初創公司所需的數十億美元資金，亞馬遜和谷歌提供的支持可能僅是“杯水車薪”，美國華盛頓特區的關心科學家聯盟 （Union of Concerned Scientists） 核能安全主任、物理學家Edwin Lyman說。他說，“公關機器在超速運轉，但私營資本看起來還沒準備好承擔這種風險。”

加拿大不列顛哥倫比亞大學的公共政策與全球事務學院主任、美國核管理委員會 （Nuclear Regulatory Commission） 前任主席Allison Macfarlane認為，計算機科學的快速進步也提出了另一個問題：“真到了15年后，人工智能的能耗還會這么大嗎？”

二、小型模塊化反應堆如何工作？

一些初創公司——以及包括東芝和勞斯萊斯在內的一些老牌企業——正在開發小型反應堆，每家公司都宣稱擁有獨特原創性和優勢。大多數公司都在尋求與現有發電設施不同的設計。

幾乎所有類型的核反應堆能量來源都是鈾原子的裂變。不穩定同位素鈾-235的原子核在被中子撞擊時會分裂并釋放更多中子，這些中子又會撞擊更多原子核，從而引發鏈式反應。核反應以熱能形式釋放出能量，傳統核電站通過將冷水泵入反應堆堆芯來吸收能量，并產生加壓蒸汽來驅動渦輪機發電。

X-energy的設計用氦氣代替水，而Kairos則計劃使用熔鹽。二者都棄用了傳統的核燃料棒，轉而使用數千個球狀的燃料球。燃料球不斷被從反應堆頂部添加，而用過的燃料球則從底部移出，有點像口香糖球機。

三、小型模塊化設計是否具有安全優勢？

“理論上，很小的反應堆可以具有高度的被動安全性。”Lyman說。相較于2011年日本海嘯后福島第一核電站事故中熔毀的反應堆堆芯，在關閉時，小型反應堆堆芯的余熱和放射性更低。

這些公司還表示，擬建的球床反應堆本身便更加安全，因為它們不需要加壓，且其設計就是在沒有泵的情況下循環冷卻液 （福島核電站的三座反應堆失控正是由于斷電導致的水泵失靈） 。

然而，Lyman認為，沒有主動冷卻選項作為備份，僅依賴具潛在不可預測性的被動冷卻是有風險的。而隨著反應堆體積減小，其效率也會下降。另一家初創公司，俄勒岡州的NuScale Power，起初設計的小型模塊化反應堆 （已獲美國核管理委員會認證） 計劃發電容量50兆瓦，但后來改為更大的77兆瓦設計。Lyman指出，對經濟效益的追求“削弱了被動安全性的可信度”。

四、小型模塊化反應堆是否會帶來額外風險？

在某些情況下，小型模塊化反應堆“可能其實會將核能推向更危險的方向”，Lyman說，“先進不一定就更好。”

Lyman特別指出，X-energy和Kairos設計的球床反應堆需使用含有10%~20%的鈾-235的高含量低濃縮鈾 （high-assay low-enriched uranium，HALEU） ——相比之下，現有的大多數反應堆 （包括NuScale的反應堆） 僅需要5%的濃縮水平。雖然HALEU仍被歸類為低濃縮燃料 （相對制造核彈所用的高濃縮鈾而言） ，但Lyman表示這一分類具有誤導性。2024年6月，他與合作者們——包括首個氫彈的設計者、物理學家Richard Garwin——在Science撰文指出，僅需幾百公斤HALEU即可制造核彈，而不需要進一步的濃縮 ^[1] 。

根據Macfarlane與合作者在2022年的研究 ^[2] ，小型反應堆也可能產生更多的核廢料，并且核燃料利用效率較低。在全尺寸反應堆中，由鈾裂變產生的中子大多會穿過其中的大量核燃料，因此它們大概率會撞擊到另一個原子核，而不是撞擊反應堆的容器壁或逸散入外圍的結構。Macfarlane表示：“縮小反應堆后，其中的核燃料也會減少，這樣就會有更多的中子泄漏。”這些逃逸的中子可能被其它原子核吸收并產生放射性。

NuScale解釋說，這項研究部分是基于這家公司現已棄用的50兆瓦反應堆設計，但Macfarlane和其他人認為，這一問題可能適用于大多數小型反應堆。

五、小型反應堆的建造成本會更低嗎？

通過流水線制造組件這一點可以大幅降低反應堆的建造成本。但Buongiorno指出，建造更大型反應堆也存在固有的規模經濟效益。他說，聽到小型反應堆能產生更便宜的能源時“不要盲信”，核能確實有很多優點，但“它并不便宜”——而且這一點不太可能有太大改變。

然而，Buongiorno補充說，一旦技術得到驗證并達到成熟，單個小型反應堆的建造應該會比建造傳統大型反應堆更便宜也更快。這可能會使其對投資者更具吸引力，并加速其采用。

與此同時，Lyman等人擔心，對小型模塊化反應堆技術的炒作——以及對降低成本的追求——可能會降低安全標準。例如，一些公司聲稱其反應堆足夠安全，無需鋼筋混凝土的防護結構。

六、所有這些努力能否助力于應對氣候變化？

“我們不應該關閉現有的核電站。我們迫切需要它們，也迫切需要擺脫化石燃料。”Macfarlane說。即使是一些堅定反對核能的人也不得不承認這一點。

但快速減少排放是否得靠建造新反應堆，這一點仍存在爭議。Macfarlane指出，太陽能板和風力渦輪機可以更快地部署。而其它評估，包括國際能源署的一份報告表明，在世界許多地方，完全依賴不穩定的太陽能和風能可能過于昂貴，即使配上大規模的電池儲能也依然如此——而核能等隨時可用的能源在未來能源供應中仍將占有重要地位 ^[3] 。

參考文獻：

1.Kemp，R.S.，Lyman，E.S.，Deinert，M.R.，Garwin，R.L.&von Hippel，F.N.Science384，1071–1073(2024).

2.Krall，L.M.，Macfarlane，A.M.&Ewing，R.C.Proc.Natl Acad.Sci.USA119，e2111833119(2022).

3.Sepulveda，N.A.，Jenkins，J.D.，de Sisternes，F.J.&Lester，R.K.Joule2，2403–2420(2018).

（原文以Will AI’s huge energy demands spur a nuclear renaissance?標題發表在2024年10月25日《自然》的News Explainer版塊上）