AI的尽头是核电？美科技巨头集体押注小堆核电

　　马斯克预测，2025年电力将陷入短缺，没有足够的电力来运行所有的芯片。黄仁勋说，超级人工智能将成为电力需求的无底洞。

　　为了破解AI用电荒，谷歌、甲骨文、亚马逊等一众科技巨头纷纷入局押注小型模块化核反应堆。原因只有一个——算力对电力的巨大需求。AI的尽头是核能？不管你信不信，但美股是信了。

　　2024年1月以来，相关个股涨幅惊人，美股Oklo涨116%、Vistra涨343%、NuScale Power Corporation涨485%……

　　那，为什么是小堆？与传统核电站相比，小堆究竟有什么魅力？小堆可以在更短的时间内以更低的成本建造。此外，它们是无碳的，与太阳能或风能不同，不受自然因素影响，可以稳定可靠地全天运行。而我国小堆技术水平已处于世界第一梯队。

　　为了揭开小堆的神秘面纱，赵成昆曾任中国核动力研究设计院副总工程师兼秦山二期60万压核电站总设计师，中国核动力研究设计院院长，国家核安全局局长，中国核能行业协会副理事长、专家委员会副主任。

　　宋丹戎是全球首个陆上商用模块化小堆“玲龙一号”总设计师、中核集团及核动力院模块化小型堆科研专项总设计师。

　　NBD：国外AI领域的科技巨头为什么选择小堆作为新的电力赵成昆：近10年来AI行业在全球发展很快，对电力需求很大。在全球能源低碳化的大背景下，如何满足AI等高耗电行业不断增长的电力需求，是AI领域科技巨头们面对的共同挑战。基于小堆安全、可靠、无碳排放、厂址适应性强、无厂外应急要求等优点，巨头们把目光投向核能特别是小堆，也就顺理成章了。美国微软最近签署了协议，计划重启三里岛核电站，以为其快速扩张的人工智能数据中心提供电力。

　　为了给新建的核电站提供更多厂址选择，美国对已经退役或即将退役的火电厂址作了全面调查，约80%的老旧火电厂址满足小堆要求，还可以利用原有的一些设施，如部分厂房和电网，可以较大幅度降低建造成本，部分员工经专业培训也可以为新电厂所用。

　　宋丹戎：海外AI公司选择小堆，一是出于节能减排的目的。作为清洁能源，核能发电有安全友好、绿色低碳、经济高效等多重优势。二是美国的电力系统并非全国“一张网”，而是由多个区域电网构成。小堆适合为区域电网或小型电网进行分布式部署。它具有功率可变化、模块化快速组装、运输便捷、出力稳定、适应性强等综合优势，能像自备电厂一样专门供电。传统大堆的辐射应急计划区范围一般是10公里，而小堆只有500米左右，因此可以建在离城市、人口密集区更近的地方。

　　NBD：在化解人工智能发展所面临的能源困境时，为何会对小堆格外青睐？它的主要优势是什么？

　　宋丹戎：模块化设计，小堆采用一体化、模块化的设计方式，使得建造周期更短、成本更低，并且可以灵活部署在人口密集地区或偏远地区。安全性更高，小堆通过简化系统管道设计、优化压力容器设计等方式，提高了固有安全性能，同时减少了失水事故的风险。多用途利用，小堆不仅可以用于发电，还可以应用于供热、海水淡化、制氢等多种领域，适应不同市场需求。灵活性和选址优势，小堆的非居住区半径和规划限制区半径较小，选址更为灵活，适合在缺水地区或分布式电网地区推广应用。经济性逐步提升，随着技术进步和规模效应的显现，小堆的经济性正在逐步接近大型反应堆，尤其是在设施共享和模块化施工方面具有明显优势。

　　不过，小堆的行业标准尚不完善。目前我国核能法规和标准主要针对大型堆，小堆的行业标准体系尚在完善中，这可能影响其推广速度。

　　NBD：全球小堆技术水平如何？

　　宋丹戎：国外科技公司投资的小堆虽然多，但都未进入示范阶段。从建好到进入示范阶段，并进入稳定运行阶段，我认为还需要一定时间。

　　目前，全球范围内通过国际原子能机构评估的小堆仅有几个：比如，我国建成的高温气冷堆——山东荣成华能石岛湾高温气冷堆核电站商业示范工程；“玲龙一号”是中核集团在成熟压水堆核电站和核电技术的基础上开发的具有自主知识产权的创新型核反应堆，进展比较快。

　　另外两个建成的小堆来自俄罗斯，分别用在罗蒙诺索夫院士号浮动核电站和核动力破冰船。此外，俄罗斯还有一个快堆正在建设。

　　目前全球建成和在建的小堆实际上只有5个，其他的小堆基本上还在研发阶段或“纸上谈兵”阶段。

　　NBD：“玲龙一号”是我国核电自主创新的又一重大成果，是否意味着中国小堆技术水平已经位于世界前列？

　　赵成昆：准确地说，中国已经处于第一梯队。目前中核集团、中广核集团、国电投集团、中国科学院、清华大学等单位开发的10来种小堆已被国际原子能机构收录。其中，水冷型小堆7种，非水冷型小堆3种。

　　国内各轻水冷却型小堆设计已完成可研或初步设计。其中，陆上小堆主要有发电和供热两类预期应用，中核集团“玲龙一号”是第一个实际部署在建的小型模块化轻水堆；ACPR50S、ACP100S等海上浮动堆也采用了小型压水堆路线，考虑了热、电、淡水联供和孤岛供能等多种预期应用。

　　宋丹戎：“玲龙一号”是全球首座商业三代核小堆项目。相比其他国家，我国已率先迈出了模块化商业化小堆工程落地的关键一步。

　　“玲龙一号”发电功率12.5万千瓦，建成后年发电量可达10亿千瓦时，满足52.6万户家庭生活所需。每台“玲龙一号”机组每年发电相当于减少二氧化碳排放88万吨、植树造林750万棵。它的推广应用可以大大减少我国化石能源的消耗、促进节能减排。

　　NBD：海外科技企业投资小堆热潮高涨，国内有类似动作吗？

　　宋丹戎：其实国内企业早已有所行动。约一两年前，阿里巴巴等互联网企业及贵州当地数据中心来找过我们，主要提出两大需求：提供电力和制冷。其实，算力中心不仅需要大量的电能以支持其高强度运算，还因高能耗产生的热量而需要有效的散热手段。

　　小堆是供电及制冷的新途径，具备380多兆瓦的热功率，理论上可通过抽取部分蒸汽，运用溴化锂制冷技术，为数据中心提供制冷服务。其实这一创新方案已完成初步设计，但经济性成为制约合作继续推进的关键因素。相较于直接从电网购电及采用传统制冷方式，小堆供电及制冷的成本较高。

　　此外，数据中心对电力供应的稳定性与连续性有极高要求，任何断电都可能引发数据丢失或服务中断的严重后果。而小堆在换料期间需暂停运行，与数据中心不间断供电的需求相悖。加之，当前小堆技术尚处于示范阶段，“玲龙一号”示范项目尚未建成，其长期运行的可靠性需进一步验证。

　　NBD：小堆的优势是经济性，为何经济性反而又成为大规模应用的桎梏？

　　宋丹戎：准确地说，与大堆相比，小堆总投资低、建设周期短。但以发电量单位造价计算，小堆远高于大堆。这源于小堆技术尚处于发展初期，首堆示范工程的造价相对较高。随着技术不断成熟和批量化部署，未来小堆单位造价会逐步下降。

　　NBD：相比大堆，小堆在成本方面未来具有更高可控性吗？

　　赵成昆：小堆的经济性优势必须通过系统简化、批量建设才能实现，标准化、批量化、模块化、工厂制造、现场组装有利于其提高经济性。

　　我国有些小堆的设计虽然采用“一体化”以及包括非能动在内的很多先进理念，但总体还是“大堆缩小”的路线。

　　若每个小堆都按照标准设计，使用工厂制造的标准组件建造，那么整个过程将更加高效和可预测；小堆体积较小，因此具有模块化潜力，模块化可以降低总体劳动力成本和工期，也有利于保证建造质量。

　　因此可以通过技术改造，采用非能动设计简化冗余设备、采用模块式建造方式缩短建造周期、标准化设计等环节提高建造效率，降低小堆成本。

　　另外，运行人员成本也需要降低。核电站主控制室的操纵员有“黄金人”之称，说明培养一个合格的操纵员耗资不菲。

　　一个大型核反应堆约需要5个操纵员，若今后小堆大规模建设，配备如此多操作员所需的成本可想而知。国外比较先进的小堆，一个控制室只配一个操纵员，甚至无人值守。所以努力提升小堆自动化、智能化水平，减少运维人员，对提高小堆经济性很重要。

　　NBD：小堆的产业链由哪几部分构成？各个环节主要涉及哪些企业？

　　宋丹戎：小堆产业链涵盖了从上游的设备制造到下游的多用途应用。

　　上游主要包括核燃料供应、设备制造等环节。例如，中核集团参与了小堆技术的研发和设备制造。

　　中游涉及小堆的设计、建造和调试。例如，海南昌江多用途模块式小型堆项目采用了中核“玲龙一号”技术，展示了模块化设计和建造的优势。

　　下游包括小堆的运营、维护以及多用途应用，如供热、海水淡化等。

　　赵成昆：小堆与大堆的设备供应商差不多，目前主要是央企。

　　核岛设备是核电设备的核心，主要设备包括反应堆压力容器、堆内构件、蒸汽发生器、控制棒驱动机构、主泵和主管道等，都是核安全级设备，质量要求极高。其中，反应堆压力容器和蒸汽发生器为核岛核心设备，压力容器在国内有资质的供应商包括中国一重、上海电气核电设备有限公司和东方重机；蒸汽发生器主要由哈电重装、上海电气核电设备有限公司和东方重机生产。

　　一件非常可喜的事是，近年来，一些有实力的民营企业也积极参与到核电设备的研制中来，并且取得了很好的成绩。

　　下游环节中，目前，我国具有核电运营资质牌照的公司包括中国核工业集团、中国广核集团、国家电投和中国华能。

　　NBD：小堆的成本是如何构成的？

　　赵成昆：主要有两类成本。一类是项目建设成本，包括设计费、建筑工程费、安装工程费、设备购置费、1/3首炉核燃料费和财务利息。

　　财务利息的成本占比不可忽视。由于核级设备对设计、材料、制造工艺等要求比常规设备更高，使得核电厂的建设周期比较长。一座大型核电厂从前期规划到投入运营通常需要8~10年。这期间，绝大部分资金开支来自银行贷款，产生的利息非常高。美国核电项目一般建成后的前30年收入用来还本付息。

　　另一类是运行过程中的成本，包括燃料成本、折旧费、运行维护费、职工薪酬等成本。其中，大堆更换一炉燃料，至少几亿元。小堆不需要这么多燃料，但燃料成本占比也不低。

　　NBD：国内小堆项目中设备的国产化程度如何？会不会遇到“卡脖子”技术风险？

　　赵成昆：我国核能设备的国产化程度已经达到90%~95%，尽管还有一些测量仪表部件需要进口，也比较关键，但未来都能够攻克，不存在“卡脖子”技术风险。

　　NBD：小堆电价是否有望在未来实现大幅下降，达到被社会各界普遍接受的水平？

　　赵成昆：经过几十年发展，目前我国大堆上网电价已经降到约0.4元/度。但小堆还处在首堆示范阶段，估计首堆上网电价至少是大堆的2~4倍，这已经是非常保守的预估数字。即便今后小堆技术成熟、批量化建造，也难以与煤电、风光电电价持平。

　　小堆未来电价达到与风光电价可比，应该是我们努力的目标。

　　不过，在当前全球正在开发的80余种小堆技术中，约有1/3属于水冷堆，这一类型是从技术成熟的大型压水堆基础上发展而来的。水冷堆借助大型核电厂所积累的丰富经验，预计2030年前后有望实现工业化合作。一旦达到工业化阶段，这一技术路线的小堆电价有望接近大堆。

　　NBD：多家海外科技巨头押注小堆，让外界十分关注小堆供电前景，小堆在中国电力市场的发展潜力有多大？是否有实力逐步甚至完全替代传统供电模式？

　　赵成昆：单考虑技术可行性，未来可以畅想这样一种场景——只要任一工厂有需求，便可以就近建设小堆作为自备电厂，供其用电。

　　但我们必须结合实际情况，如果是单纯用来发电，我国电网很发达，遍布全国各地，除边远地区的特殊需要，全部靠小堆供电的意义不大。而且小堆规模因子小，不能代替大型核电厂作为大型电网的基本负荷电力。

　　不过，具有高度运行灵活性的先进小堆调峰能力强，可以很好地跟随电网变动。与风能、太阳能耦合，作为基荷运行又参加调峰，提高供电质量。适合在我国承担区域小电网的基荷与调峰作用。

　　外界需要明白，我国做小堆的初衷不是和大堆去“拼发电”，发电只是小堆基础功能。未来，非电应用才是小堆主要的应用场景，市场规模远超电力市场。

　　供热是全球最大的终端能源消费领域。在家庭供热领域，我国供暖热源目前仍以燃煤为主，城镇供热面积已突破140亿平方米。未来，小堆在北方9省份的冬季采暖中将大有可为。

　　在工业供热领域，石化行业需要大量的热能和电力，二氧化碳排放量占到全国排放量的13%，其中的1/3来自化石燃料燃烧。试想，如果核能能够逐步替代这些化石燃料，那么石化行业的碳排放量能减少1/3。

　　根据中国石油和化学工业联合会化工园区工作委员会所做的全国性调研统计，截至2020年底，我国重点化工园区或以石油和化工为主导产业的工业园区共有616家。一个大型园区热力需求在100~500吨/小时，仅需1~2个热功率为200兆瓦的小堆机组就能轻松满足这样的热力需求。我国已建成投运的高温气冷堆安全性好，蒸汽出口温度高，非常适合石化工业园区供热。

　　若按500个园区估算，那么我国工业供热市场的潜力无疑是巨大的，足以容纳500~1000个小堆机组。

　　NBD：若小堆在未来迎来大规模的批量化建设与推广，是否会触发一场核燃料供应危机？

　　赵成昆：铀作为核能发电的主要原料，全球目前查明的总量约600万吨，的确有限。但每个小堆对铀燃料的需求量相对较少，还可通过扩大铀矿勘探生产和采用先进的增殖快堆技术，因此不必担忧会陷入燃料危机。

　　但着眼长远，我们必须根据小堆的长周期换料要求，着手提升核燃料的丰度，采用高丰度低浓铀。核燃料的丰度越高，核反应释放的能量也会越多，核反应堆持续的时间也会越长。

　　比如“玲龙一号”采用铀235丰度3%左右的民用核燃料棒，所以必须每两年更换一次燃料。对于需要长周期运行的数据中心来说，它们无法承受频繁的停堆换料导致的电力供应中断。因此，更高燃料浓度、更低换料频率特性，更能满足数据中心企业的需求。

　　NBD：中国是否会率先在全球范围内大规模部署和应用小堆，从而引领全球能源转型？哪些国家在这一领域展现出了较大应用积极性？

　　宋丹戎：国内不少企业对“玲龙一号”抱有浓厚兴趣与期待，但在其成功实现并网发电之前，目前它们仍持观望态度。

　　从经济成本的角度看，当前小堆发电的电价相较于直接从庞大而成熟的大电网中购电，确实较为高昂。若计入碳税因素，经济性还可以，但这一优势主要适用于出口市场。对于国内企业而言，直接从电网买电更实惠。

　　与国内市场的谨慎态度形成鲜明对比的是，东南亚等地区对“玲龙一号”展现出迫切的合作意愿。

　　东南亚国家电网规模不大，若引入百万千瓦级的大型核电站，遇到换料与停堆，会对电网稳定性造成较大冲击。因此，对于电网规模较小的国家而言，用小堆很合适。

　　小堆的另一大优势，是能够灵活适应国家经济发展的需求。在国家经济发展的初期阶段，电力需求往往相对有限。小堆能随着经济的持续增长、电力需求逐渐攀升，适时增加机组数量，实现电力供应与经济发展同步增长。因此，它在中东、非洲，以及领土、人口较少的中小国家，具有较强的市场优势。