2023年10月，科技巨頭谷歌和亞馬遜分別宣布了支持“先進(jìn)”核能的合作協(xié)議，作為實(shí)現(xiàn)其碳中和目標(biāo)的手段之一。

谷歌宣布將會(huì)購(gòu)買(mǎi)Kairos Power公司 （位于美國(guó)加利福尼亞州阿拉米達(dá)） 研發(fā)的核反應(yīng)堆所生產(chǎn)的電力。與此同時(shí)，亞馬遜正注資約5億美元馬里蘭州羅克維爾的X-Energy反應(yīng)堆公司，并同意購(gòu)買(mǎi)由其設(shè)計(jì)、將于華盛頓州建造的反應(yīng)堆所生產(chǎn)的電力。

撐起人工智能 （AI） 的數(shù)據(jù)中心和計(jì)算集群的能源需求日益攀升，隨著科技公司著手應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題，更加宏大的綠色圖景已然展現(xiàn)，上述行動(dòng)正是其中的一部分。此前，微軟也宣布將從一家公共事業(yè)公司購(gòu)買(mǎi)電力，該公司計(jì)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(yīng)堆。

與谷歌、亞馬遜達(dá)成的合作協(xié)議，涉及一些正引領(lǐng)著“小型模塊化反應(yīng)堆” （Small Modular Reactors，SMRs） 設(shè)計(jì)的初創(chuàng)公司。 這種反應(yīng)堆將由預(yù)制組件組裝而成，預(yù)期將比傳統(tǒng)核電站中的反應(yīng)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(guó)能源部和歐盟委員會(huì)等機(jī)構(gòu)提供） 所追求的設(shè)計(jì)與老牌能源公司的設(shè)計(jì)截然不同， 但距離成為現(xiàn)實(shí)仍有一段長(zhǎng)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(dòng)核工業(yè)創(chuàng)新？

建設(shè)核電站——一項(xiàng)常受許可程序復(fù)雜、施工延期以及成本超支等問(wèn)題干擾的工程——已有很高的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，賭在未經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)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(dòng)力，美國(guó)麻省理工大學(xué)高級(jí)核能系統(tǒng)中心主任、核工程師Jacopo Buongiorno說(shuō)。他指出：“很大價(jià)值在于宣告了信任，當(dāng)然也帶來(lái)了資金。”這一宣告可能會(huì)幫助這些公司吸引更多資金，他說(shuō)，從而跨越那道常常令創(chuàng)新理念無(wú)法躍向商業(yè)成功的“創(chuàng)新死亡谷”。

不過(guò)，這些協(xié)議的細(xì)節(jié)并不清晰，而且相較于這些初創(chuàng)公司所需的數(shù)十億美元資金，亞馬遜和谷歌提供的支持可能僅是“杯水車(chē)薪”，美國(guó)華盛頓特區(qū)的關(guān)心科學(xué)家聯(lián)盟 （Union of Concerned Scientists） 核能安全主任、物理學(xué)家Edwin Lyman說(shuō)。他說(shuō)，“公關(guān)機(jī)器在超速運(yùn)轉(zhuǎn)，但私營(yíng)資本看起來(lái)還沒(méi)準(zhǔn)備好承擔(dān)這種風(fēng)險(xiǎn)。”

加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)的公共政策與全球事務(wù)學(xué)院主任、美國(guó)核管理委員會(huì) （Nuclear Regulatory Commission） 前任主席Allison Macfarlane認(rèn)為，計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速進(jìn)步也提出了另一個(gè)問(wèn)題：“真到了15年后，人工智能的能耗還會(huì)這么大嗎？”

二、小型模塊化反應(yīng)堆如何工作？

一些初創(chuàng)公司——以及包括東芝和勞斯萊斯在內(nèi)的一些老牌企業(yè)——正在開(kāi)發(fā)小型反應(yīng)堆，每家公司都宣稱擁有獨(dú)特原創(chuàng)性和優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)公司都在尋求與現(xiàn)有發(fā)電設(shè)施不同的設(shè)計(jì)。

幾乎所有類(lèi)型的核反應(yīng)堆能量來(lái)源都是鈾原子的裂變。不穩(wěn)定同位素鈾-235的原子核在被中子撞擊時(shí)會(huì)分裂并釋放更多中子，這些中子又會(huì)撞擊更多原子核，從而引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。核反應(yīng)以熱能形式釋放出能量，傳統(tǒng)核電站通過(guò)將冷水泵入反應(yīng)堆堆芯來(lái)吸收能量，并產(chǎn)生加壓蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。

X-energy的設(shè)計(jì)用氦氣代替水，而Kairos則計(jì)劃使用熔鹽。二者都棄用了傳統(tǒng)的核燃料棒，轉(zhuǎn)而使用數(shù)千個(gè)球狀的燃料球。燃料球不斷被從反應(yīng)堆頂部添加，而用過(guò)的燃料球則從底部移出，有點(diǎn)像口香糖球機(jī)。

三、小型模塊化設(shè)計(jì)是否具有安全優(yōu)勢(shì)？

“理論上，很小的反應(yīng)堆可以具有高度的被動(dòng)安全性。”Lyman說(shuō)。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(yīng)堆堆芯，在關(guān)閉時(shí)，小型反應(yīng)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(yīng)堆本身便更加安全，因?yàn)樗鼈儾恍枰訅海移湓O(shè)計(jì)就是在沒(méi)有泵的情況下循環(huán)冷卻液 （福島核電站的三座反應(yīng)堆失控正是由于斷電導(dǎo)致的水泵失靈） 。

然而，Lyman認(rèn)為，沒(méi)有主動(dòng)冷卻選項(xiàng)作為備份，僅依賴具潛在不可預(yù)測(cè)性的被動(dòng)冷卻是有風(fēng)險(xiǎn)的。而隨著反應(yīng)堆體積減小，其效率也會(huì)下降。另一家初創(chuàng)公司，俄勒岡州的NuScale Power，起初設(shè)計(jì)的小型模塊化反應(yīng)堆 （已獲美國(guó)核管理委員會(huì)認(rèn)證） 計(jì)劃發(fā)電容量50兆瓦，但后來(lái)改為更大的77兆瓦設(shè)計(jì)。Lyman指出，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求“削弱了被動(dòng)安全性的可信度”。

四、小型模塊化反應(yīng)堆是否會(huì)帶來(lái)額外風(fēng)險(xiǎn)？

在某些情況下，小型模塊化反應(yīng)堆“可能其實(shí)會(huì)將核能推向更危險(xiǎn)的方向”，Lyman說(shuō)，“先進(jìn)不一定就更好。”

Lyman特別指出，X-energy和Kairos設(shè)計(jì)的球床反應(yīng)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(xiàn)有的大多數(shù)反應(yīng)堆 （包括NuScale的反應(yīng)堆） 僅需要5%的濃縮水平。雖然HALEU仍被歸類(lèi)為低濃縮燃料 （相對(duì)制造核彈所用的高濃縮鈾而言） ，但Lyman表示這一分類(lèi)具有誤導(dǎo)性。2024年6月，他與合作者們——包括首個(gè)氫彈的設(shè)計(jì)者、物理學(xué)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(jìn)一步的濃縮 ^[1] 。

根據(jù)Macfarlane與合作者在2022年的研究 ^[2] ，小型反應(yīng)堆也可能產(chǎn)生更多的核廢料，并且核燃料利用效率較低。在全尺寸反應(yīng)堆中，由鈾裂變產(chǎn)生的中子大多會(huì)穿過(guò)其中的大量核燃料，因此它們大概率會(huì)撞擊到另一個(gè)原子核，而不是撞擊反應(yīng)堆的容器壁或逸散入外圍的結(jié)構(gòu)。Macfarlane表示：“縮小反應(yīng)堆后，其中的核燃料也會(huì)減少，這樣就會(huì)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(chǎn)生放射性。

NuScale解釋說(shuō)，這項(xiàng)研究部分是基于這家公司現(xiàn)已棄用的50兆瓦反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，但Macfarlane和其他人認(rèn)為，這一問(wèn)題可能適用于大多數(shù)小型反應(yīng)堆。

五、小型反應(yīng)堆的建造成本會(huì)更低嗎？

通過(guò)流水線制造組件這一點(diǎn)可以大幅降低反應(yīng)堆的建造成本。但Buongiorno指出，建造更大型反應(yīng)堆也存在固有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。他說(shuō)，聽(tīng)到小型反應(yīng)堆能產(chǎn)生更便宜的能源時(shí)“不要盲信”，核能確實(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，但“它并不便宜”——而且這一點(diǎn)不太可能有太大改變。

然而，Buongiorno補(bǔ)充說(shuō)，一旦技術(shù)得到驗(yàn)證并達(dá)到成熟，單個(gè)小型反應(yīng)堆的建造應(yīng)該會(huì)比建造傳統(tǒng)大型反應(yīng)堆更便宜也更快。這可能會(huì)使其對(duì)投資者更具吸引力，并加速其采用。

與此同時(shí)，Lyman等人擔(dān)心，對(duì)小型模塊化反應(yīng)堆技術(shù)的炒作——以及對(duì)降低成本的追求——可能會(huì)降低安全標(biāo)準(zhǔn)。例如，一些公司聲稱其反應(yīng)堆足夠安全，無(wú)需鋼筋混凝土的防護(hù)結(jié)構(gòu)。

六、所有這些努力能否助力于應(yīng)對(duì)氣候變化？

“我們不應(yīng)該關(guān)閉現(xiàn)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(shuō)。即使是一些堅(jiān)定反對(duì)核能的人也不得不承認(rèn)這一點(diǎn)。

但快速減少排放是否得靠建造新反應(yīng)堆，這一點(diǎn)仍存在爭(zhēng)議。Macfarlane指出，太陽(yáng)能板和風(fēng)力渦輪機(jī)可以更快地部署。而其它評(píng)估，包括國(guó)際能源署的一份報(bào)告表明，在世界許多地方，完全依賴不穩(wěn)定的太陽(yáng)能和風(fēng)能可能過(guò)于昂貴，即使配上大規(guī)模的電池儲(chǔ)能也依然如此——而核能等隨時(shí)可用的能源在未來(lái)能源供應(yīng)中仍將占有重要地位 ^[3] 。

參考文獻(xiàn)：

1.Kemp，R.S.，Lyman，E.S.，Deinert，M.R.，Garwin，R.L.&von Hippel，F(xiàn).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(xiàn).J.&Lester，R.K.Joule2，2403–2420(2018).

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