科技巨头们纷纷在人工智能领域展开布局，这使得人工智能的发展如火如荼。而人工智能的巨大能源需求也逐渐成为人们关注的焦点。核能作为一种高效、稳定的能源，是否会因此迎来复兴呢？一方面，人工智能的快速发展对能源的需求持续增长，核能的强大能量储备似乎能满足这一需求。另一方面，核能的安全性等问题仍需解决，这也给其复兴带来了一定的阻碍。目前来看，人工智能的巨大能源需求是否会推动核能的复兴，仍存在诸多不确定性，但这无疑是一个值得深入探讨和研究的话题。

2023年10月，科技巨头谷歌和亚马逊分别宣布了支持“先进”核能的合作协议，作为实现其碳中和目标的手段之一。

谷歌宣布将会购买Kairos Power公司（位于美国加利福尼亚州阿拉米达）研发的核反应堆所生产的电力。与此同时，亚马逊正注资约5亿美元马里兰州罗克维尔的X-Energy反应堆公司，并同意购买由其设计、将于华盛顿州建造的反应堆所生产的电力。

撑起人工智能（AI）的数据中心和计算集群的能源需求日益攀升，随着科技公司着手应对这一问题，更加宏大的绿色图景已然展现，上述行动正是其中的一部分。此前，微软也宣布将从一家公共事业公司购买电力，该公司计划重启宾夕法尼亚州三哩岛核电站的一座已退役的835兆瓦反应堆。

与谷歌、亚马逊达成的合作协议，涉及一些正引领着“小型模块化反应堆”（Small Modular Reactors，SMRs）设计的初创公司。这种反应堆将由预制组件组装而成，预期将比传统核电站中的反应堆更小、更便宜、更安全、可更快建造。X-energy、Kairos和其它几家公司（部分资金由美国能源部和欧盟委员会等机构提供）所追求的设计与老牌能源公司的设计截然不同，但距离成为现实仍有一段长路。

《自然》与核能研究专家们探讨了这些大型科技公司投资的意义及其可能的影响。

一、这些合作是否能推动核工业创新？

建设核电站——一项常受许可程序复杂、施工延期以及成本超支等问题干扰的工程——已有很高的财务风险，赌在未经验证的技术上更是前途未卜。然而，与谷歌和亚马逊的合作能为Kairos和X-energy提供“巨大的”推动力，美国麻省理工大学高级核能系统中心主任、核工程师Jacopo Buongiorno说。他指出：“很大价值在于宣告了信任，当然也带来了资金。”这一宣告可能会帮助这些公司吸引更多资金，他说，从而跨越那道常常令创新理念无法跃向商业成功的“创新死亡谷”。

不过，这些协议的细节并不清晰，而且相较于这些初创公司所需的数十亿美元资金，亚马逊和谷歌提供的支持可能仅是“杯水车薪”，美国华盛顿特区的关心科学家联盟（Union of Concerned Scientists）核能安全主任、物理学家Edwin Lyman说。他说，“公关机器在超速运转，但私营资本看起来还没准备好承担这种风险。”

加拿大不列颠哥伦比亚大学的公共政策与全球事务学院主任、美国核管理委员会（Nuclear Regulatory Commission）前任主席Allison Macfarlane认为，计算机科学的快速进步也提出了另一个问题：“真到了15年后，人工智能的能耗还会这么大吗？”

二、小型模块化反应堆如何工作？

一些初创公司——以及包括东芝和劳斯莱斯在内的一些老牌企业——正在开发小型反应堆，每家公司都宣称拥有独特原创性和优势。大多数公司都在寻求与现有发电设施不同的设计。

几乎所有类型的核反应堆能量来源都是铀原子的裂变。不稳定同位素铀-235的原子核在被中子撞击时会分裂并释放更多中子，这些中子又会撞击更多原子核，从而引发链式反应。核反应以热能形式释放出能量，传统核电站通过将冷水泵入反应堆堆芯来吸收能量，并产生加压蒸汽来驱动涡轮机发电。

X-energy的设计用氦气代替水，而Kairos则计划使用熔盐。二者都弃用了传统的核燃料棒，转而使用数千个球状的燃料球。燃料球不断被从反应堆顶部添加，而用过的燃料球则从底部移出，有点像口香糖球机。

三、小型模块化设计是否具有安全优势？

“理论上，很小的反应堆可以具有高度的被动安全性。”Lyman说。相较于2011年日本海啸后福岛第一核电站事故中熔毁的反应堆堆芯，在关闭时，小型反应堆堆芯的余热和放射性更低。

这些公司还表示，拟建的球床反应堆本身便更加安全，因为它们不需要加压，且其设计就是在没有泵的情况下循环冷却液（福岛核电站的三座反应堆失控正是由于断电导致的水泵失灵）。

然而，Lyman认为，没有主动冷却选项作为备份，仅依赖具潜在不可预测性的被动冷却是有风险的。而随着反应堆体积减小，其效率也会下降。另一家初创公司，俄勒冈州的NuScale Power，起初设计的小型模块化反应堆（已获美国核管理委员会认证）计划发电容量50兆瓦，但后来改为更大的77兆瓦设计。Lyman指出，对经济效益的追求“削弱了被动安全性的可信度”。

四、小型模块化反应堆是否会带来额外风险？

在某些情况下，小型模块化反应堆“可能其实会将核能推向更危险的方向”，Lyman说，“先进不一定就更好。”

Lyman特别指出，X-energy和Kairos设计的球床反应堆需使用含有10%~20%的铀-235的高含量低浓缩铀（high-assay low-enriched uranium，HALEU）——相比之下，现有的大多数反应堆（包括NuScale的反应堆）仅需要5%的浓缩水平。虽然HALEU仍被归类为低浓缩燃料（相对制造核弹所用的高浓缩铀而言），但Lyman表示这一分类具有误导性。2024年6月，他与合作者们——包括首个氢弹的设计者、物理学家Richard Garwin——在Science撰文指出，仅需几百公斤HALEU即可制造核弹，而不需要进一步的浓缩^[1]。

根据Macfarlane与合作者在2022年的研究^[2]，小型反应堆也可能产生更多的核废料，并且核燃料利用效率较低。在全尺寸反应堆中，由铀裂变产生的中子大多会穿过其中的大量核燃料，因此它们大概率会撞击到另一个原子核，而不是撞击反应堆的容器壁或逸散入外围的结构。Macfarlane表示：“缩小反应堆后，其中的核燃料也会减少，这样就会有更多的中子泄漏。”这些逃逸的中子可能被其它原子核吸收并产生放射性。

NuScale解释说，这项研究部分是基于这家公司现已弃用的50兆瓦反应堆设计，但Macfarlane和其他人认为，这一问题可能适用于大多数小型反应堆。

五、小型反应堆的建造成本会更低吗？

通过流水线制造组件这一点可以大幅降低反应堆的建造成本。但Buongiorno指出，建造更大型反应堆也存在固有的规模经济效益。他说，听到小型反应堆能产生更便宜的能源时“不要盲信”，核能确实有很多优点，但“它并不便宜”——而且这一点不太可能有太大改变。

然而，Buongiorno补充说，一旦技术得到验证并达到成熟，单个小型反应堆的建造应该会比建造传统大型反应堆更便宜也更快。这可能会使其对投资者更具吸引力，并加速其采用。

与此同时，Lyman等人担心，对小型模块化反应堆技术的炒作——以及对降低成本的追求——可能会降低安全标准。例如，一些公司声称其反应堆足够安全，无需钢筋混凝土的防护结构。

六、所有这些努力能否助力于应对气候变化？

“我们不应该关闭现有的核电站。我们迫切需要它们，也迫切需要摆脱化石燃料。”Macfarlane说。即使是一些坚定反对核能的人也不得不承认这一点。

但快速减少排放是否得靠建造新反应堆，这一点仍存在争议。Macfarlane指出，太阳能板和风力涡轮机可以更快地部署。而其它评估，包括国际能源署的一份报告表明，在世界许多地方，完全依赖不稳定的太阳能和风能可能过于昂贵，即使配上大规模的电池储能也依然如此——而核能等随时可用的能源在未来能源供应中仍将占有重要地位^[3]。

参考文献：

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?标题发表在2024年10月25日《自然》的News Explainer版块上）