三哩岛核电重启，全球核电复兴浪潮
继算力之后，全球科技巨头们又盯上了以核电为代表的电力。
故事的开始要从微软连续大手笔“囤电”讲起。9月底，微软公司宣布，与星座能源公司达成协议，购买三哩岛核电站未来20年内的电能。
宾夕法尼亚州米德尔顿三哩岛核电站计划在 2028 年之前投入运营，并将由微软购买其生产的所有电力
星座能源公司上周表示，公司与微软签署了一项长期协议，为该公司的数据中心供电。作为协议的一部分，星座计划在宾夕法尼亚州重启一座三里岛核反应堆，该反应堆与1979年因事故而关闭的反应堆相邻。
三里岛核电站的重新启动仍需要联邦、州和地方的批准。美国核管理委员会（NRC）发言人表示：“星座公司有责任阐明重启的理由，因此我们准备与该公司就下一步行动进行接触。”
而早在去年5月，微软与核聚变技术公司Helion Energy签订购电协议，Helion计划在2028年前让首座核电厂开始运转，目标发电量达50兆瓦。预计Helion Energy第七代机器“北极星”（Polaris）有可能在今年上线发电，将用高功率电磁脉冲、氦-3燃料来实现聚变。
这已经是软件巨头第二次出手，而与微软“囤电”行为相对应的是全球核电的重启与复兴。
02
全球核电重启浪潮
从遥远的切尔诺贝利到不久之前的福岛，一直以来，核能/核电都是人类眼中的“双刃剑”，作为技术成熟的清洁能源，核电足以担当“推动人类社会进步”的赞誉，但数次核电危机的阴霾又是每个人心头挥之不去的阴影。
微软本次与星座能源公司合作的主角“三哩岛核电站”在1979年时就曾因事故导致部分堆芯熔毁引发公众恐慌，被迫关闭其二号机组。这一事件提升了人们对核电站潜在安全隐患的担忧，并在接下来的几十年里对核能热情骤降。经济重压之下，三哩岛一号机组也在2019年停运。不过，Dominguez表示，它仍然是公司“性能最好的反应堆”。
三哩岛并非美国重启的第一座核电站，早在2024年3月，拜登政府宣布，美国联邦政府将提供 15 亿美元（约合 108 亿元人民币）贷款，用于重启密歇根州西南部的Palisades核电站，其成为美国历史上首次重启已关闭的核电站。同三哩岛核电站关闭的原因不同，Palisades核电站有 800 MWe产能，自1971年起由密歇根州的CMS Energy公司拥有，2007年被出售给路易斯安那州的Entergy公司。由于市场和运营因素，该电站于2022年停止运营。
近年来，随着数据中心数量的增加，以及新制造业的崛起，对电力的需求显著上升，核电作为一种稳定、无碳的电力来源重回大众视野，并逐渐成为科技公司寻求能源解决方案的重点。
除美国外，日本内阁也在2023年2月批准了一系列法案，其中包括一项《核能基本法》的修正案，根据该修正案，日本可以“采取必要措施，通过核能确保稳定的电力供应”；3月，日本内阁批准《实现绿色转型基本方针》对核电提出三项规定，一是到 2030 年将核电占比提高至 20%—22%，二是对现有核电机组进行延寿，三是在已有厂址上新建核电机组替代关停的核电机组。
随后，东京电力公司位于新潟县的柏崎刈羽核电站的 7 号机组已开始装入核燃料，这将作为日本核能复兴的一部分，有助于当地降低电力成本。柏崎刈羽核电站共有7台机组，总容量约为8000兆瓦。7号反应堆的重启是其系列计划的一部分，并预计到 2025 年全日本将有五座核反应堆重新上线。
美、日都在积极推动核电站重启
重启之外，计划新建核能规模也相当惊人。
据美国能源部官网消息，12月2日，美国与其他21个国家在迪拜举行的《联合国气候变化框架公约》第28次缔约方大会（COP28）上发起《三倍核能宣言》（下称《宣言》），拟推进实现到2050年将全球核能装机容量较2020年增加两倍的目标，并邀请国际金融机构的股东鼓励将核能纳入能源贷款政策。有意思的是中国作为目前全球核电装机第三大、在建核电规模最大的国家，尚未加入这一《宣言》。此外，俄罗斯、巴西、巴基斯坦、阿根廷、印度等国也没有加入。
巧合的是，巴基斯坦是中国自主三代核电技术“华龙一号”落户海外的第一站。阿根廷是“华龙一号”走出中国国门的第二站。
根据《三倍核能宣言》，其三倍核能目标与一些国际机构2050年全球实现碳中和的假设相一致，中国的双碳承诺是到2060年实现碳中和。目标的差异，可能也是中国未加入宣言的原因之一。
03
一次性核准11台机组，谋划核电第一
随着全球各个核电大国新一轮的核电发展计划，全球核电发展预计在未来几年迎来新的发展高潮。
我国虽然没有加入《三倍核能宣言》，但根据中国核能行业协会2024年4月发布的《中国核能发展报告2024》蓝皮书，截至2023年底，中国正在运行的核电机组共55台，总装机容量5,703万千瓦，仅次于美国、法国，位居全球第三。
截至目前，我国在建核电机组26台，总装机容量3,030万千瓦，继续保持世界第一。预计2030年前，中国在运核电装机规模有望超过美国成为世界第一，在世界核电产业格局中占据更加重要的地位。
与此同时，2024年8月19日，经国务院常务会议审议决定核准5个核电项目，共10台三代核电机组和1台四代高温气冷堆机组。而至2019年起我国核电机组重启审批，2022/2023年核准提速，每年新增核准核电机组数量均达到10台，未来我国自主三代核电有望按照每 6—8台机组的核准节奏稳步推进；在建机组数量从2019年起增长提速，2023年在建机组数量环比增加5台至24台，在建核电机组容量同比增长27.38%至2905.14万千瓦。中国核能协会预计到2035年核电发电量占比将达 10%，截至 2024年7月中国核电发电量占比为 4.73%；此次超预期一次性核准11台机组，核电发展进入提速阶段。
我国核电规模提速的主要原因之一，是第三代以及第四代核电站技术的稳步落地。
2021年1月30日，我国自主三代核电技术“华龙一号”全球首堆福建福清核电站5号机组投入商业运行，成为继美国、法国、俄罗斯等国家之后真正掌握自主三代核电技术的国家。
目前我国核电装备制造产业已形成了每年10 台/套百万千瓦级压水堆主设备的制造能力，且自主三代核电综合国产化率达到90%以上。截至2024年4月，国内外有5台“华龙一号”机组已投运，有13 台正在建设。
而华能石岛湾高温气冷堆示范工程（HTR-PM）作为全球首座第四代核电站于2023年12月开始商业运行，项目设备国产化率达到 93.4%，核心设备及系统（反应堆压力容器、主氦风机、蒸汽发生器等）大多数为世界首台（套），并于2024年3月在四代核能综合利用上实现了突破。
“玲龙一号”属于第四代核电站当中的微型核电站
从占据主导的第二代技术到第三代、第四代，除更高效经济的核能利用率外，最主要的还是安全性和可靠性的进步。关于这种高安全性是如何实现的，后文会有详细解释，在此之前，我们还是先把目光转向海外，探究一下这一轮核电热潮的最大需求从何而来。
04
AI爆发，电力已成稀缺资源
自ChatGPT问世，AI技术在全球掀起旋风，各大科技巨头竞相建立数据中心以支持生成式AI应用，而今年5月底NVIDIA CEO黄仁勋的演讲就提及了“AI工厂”的愿景，再加上NVIDIA算力卡的供不应求，从各个角度都证实了全球AI对算力需求的激增。
全球数据中心电力需求趋势和预测，AI的出现让供电成为瓶颈
但目前最大的问题在于，AI数据中心的电力需求极高，根据卡内基梅隆大学的研究显示，在ChatGPT输入一个简单的问题，服务器所消耗的电力就是谷歌单次搜索的10倍，ChatGPT聊天机器人每天耗电超过50万度，而全球数据中心的耗电量已从十年前的100亿瓦增加到如今的1000亿瓦水平，约占全球总电力消耗的1%左右，这一比例还会随着数据量的增长而增加，因为未来对大数据的需求只会有增无减，对电力的需求也会水涨船高——最新研究表明，2027年生成式人工智能所消耗的能源就可满足荷兰这样一个国家一年的需求。因此，寻求稳定且庞大的能源供应就成为整个科技圈发展的第一要务。
除了此前提到的微软，亚马逊、甲骨文等公司都已开始投资核电供应的数据中心园区或设计由核反应堆供电的数据中心，其中亚马逊将与美国联合能源公司星座能源的一座东海岸核能发电厂达成供电协议，而星座能源是美国最大的核能发电厂拥有者之一。
亚马逊计划直接从核能发电厂购买电力，以满足日益扩大的数据中心电力需求，此项计划与美国约三分之一核能发电厂谈判，确保能取得持续且高效的电力供应，而非依赖传统电网。此外，亚马逊的子公司早在今年3月以6.5亿美元高额收购了宾夕法尼亚州一个可提供高达960兆瓦的电力的核能驱动的数据中心，这个能量级足以供应数十万家庭使用，值得一提的是，此前从未有企业能接收核能发电厂提供的所有能源，可见AI的“电老虎”本质。
亚马逊购买的核能源数据中心园区未来可提供1000兆瓦的直供电力
无独有偶，甲骨文也在财报电话会议上宣布公司正在设计一个数据中心，预计需要超过1000兆瓦的电力，而这将由三座小型核反应堆为其提供动力，而且这些反应堆已经获得了建设许可并已确定了地点。
而由OpenAI创始人山姆奥特曼支持的核能初创公司Oklo也在今年5月上市，有望在2027年前推出其首座采用液态金属反应堆技术制造的核电站，功率范围从15兆瓦到50兆瓦不等，被认为可能是“解决人工智能带来的极端能源需求的潜在解决方案”，而且有消息称，该公司已被美国能源部选中并获得四项成本分摊奖励，用于推进先进回收技术的商业化，并已从能源部获得了场地使用许可和来自爱达荷国家实验室的燃料奖励。
目前从各大科技巨头的动向来看，都在考虑核能作为驱动产品的新能源来源，在竞争激烈的电力市场上，对核能的兴趣标志着命运的逆转。
过去核能发电厂因难以与风力、太阳能和天然气发电竞争而导致关闭，但随着现今许多科技公司愿意支付高价以获得几乎不间断的无碳电力，据星座能源CEO约瑟夫?多明格斯表示，这足以使核能发电厂得到有效维护，使用寿命可以延长20年。
科技公司之所以偏好核能，主要是因为核能可以提供几乎不间断的无碳电力，这同时符合减少碳足迹和支持气候目标的战略，国际能源署表示，使用核能不仅可以减少排放，还可以让净零转型变得更加便宜。能源专家也表示，若希望减少温室气体排放，对能源需求强大的数据中心而言，目前还是得依靠核能，才能满足AI发展日益增长的电力需求。
05
老态龙钟的电网基建扯了后腿
科技巨头们钟情核电的另一大关键原因，就是美国电网的“不给力”，虽然被称为“有史以来建造的最复杂机器”，但电网中最重要的基础设施：电线和变压器大多已有半个世纪的历史，完全没有准备好应对即将出现的电力需求激增。
虽然美国有10家区域性电网运营商，大多数都存在合作关系，但也存在个例。比如得克萨斯州的电网就是一座与全国其他地区完全断开的“孤岛”，在2021年2月的一场极端冬季风暴后大规模停电，因为无法向其他电网“借电”，造成了近2000亿美元的财产损失。
美国的电网属于各自为阵，升级困难的典型
你说为什么美国不升级电网？虽然大家都清楚升级已有半个世纪历史的基础设施非常重要，但建设输电基础设施在美国就是一个政治雷区，需要要面临来自彼此竞争的电力公司、土地所有者以及各怀鬼胎的议员等各方面无休止的反对意见。
所以在美国，有相当多的输电项目升级已陷入近20年的停滞状态，私营运营商、联邦和州议员以及监管机构的优先事项彼此冲突，破坏了许多涉及多个关系不睦的利益相关者，凸显了支离破碎管理体系的脆弱本质。
与此同时，美国能源领域的供应链问题也十分突出，拖慢了新发电项目和输电工程的上线速度。根据北美电力可靠性委员会日前发布《2024年夏季可靠性评估报告》，2020年以来，变压器、传输电缆、开关柜以及光伏板等电力设备在美国的交货时间都大幅拖长，严重影响了新项目建设、升级以及季节性准备工作，整体来看，美国能源供应链能力不足的问题正加剧人们对电网可靠性的担忧。
06
脑洞大开：把算力和供能都扔向太空
传统电网升级难，核能之外还有别的选项么？从科技圈的脑洞来看，思路还是挺多的，其中最具野心的莫过于在太空中组建AI计算集群：既可以直接利用太阳能供电，零下270℃的太空还是被动散热的最佳环境，不占地面资源也意味着可以更自由地进行扩展……
这是一家由Y-Combinator投资的创业公司Lumen Orbit所大胆提出的想法，该公司计划明年发射第一颗卫星，甚至已经在华盛顿州雷德蒙德建立了有效载荷制造工厂，设计并开始建造和测试第一艘航天器，计划中的第一颗卫星将是一颗60公斤载荷的演示卫星，预计将于 2025 年 5 月作为SpaceX猎鹰9号火箭的共乘有效载荷发射。而真正可用的微型数据中心则将在2026年进行发射，然后还将每年发射一次更大的迭代，直到服务器总功率达到千兆瓦规模。
根据Lumen Orbit的设想，太空数据中心的运行成本看起来并不高
从整个方案来看，将数据中心搬到太空确实是可行的，尤其是随着新型的可复用重型运载火箭即将投入使用，再加上在轨网络的普及，轨道算力的设想或许并不是天方夜谭。
从能源利用的角度来看，地面太阳能发电场的平均容量系数仅为24%，而太空太阳能电池阵列的容量系数大于 95%，而且没有昼夜循环，最佳面板方向始终垂直于太阳光线，也不受季节或天气的影响，发电效率明显更高，而且是纯粹的清洁能源。
再加上现阶段数据中心有40%的电能都用于散热系统，太空几乎没有环境温度波动，可以让数据中心处于高度稳定的温度和机械环境中，这有助于热控制和运行稳定性，零下270℃的环境温度使得它只需要在避开太阳直射的区域，设计一个大面积的被动式散热器就能满足散热需求，甚至都无需额外电力，把全部太阳能都用在“刀刃”上。
当然，Lumen Orbit也并不是唯一一家打算将AI数据中心送上太空的公司，欧盟资助的项目 ASCEND也一直在研究太空数据中心的可行性，同样也预计将于2026~2027年发射试验卫星，计划在大约1400公里的轨道高度运行，这一高度是国际空间站的两倍左右。ASCEND预计到2036年部署13个太空数据中心模块，总容量为10兆瓦，以实现云服务商业化的起点。
当然，这些项目目前都还停留在规划阶段，靴子没有落地之前，一切都只能按PPT来处理，而且即便是理想状态下，太空数据中心也要五六年以后才能真正开始发挥作用，而对于大型科技企业来说可等不了那么久，所以核能依然是现阶段最符合愿景的选择，但核能在普罗大众心目中可以说得上“前科累累”，那么目前的核能发电技术进展如何呢？
07
技术迭代，能否打破核电紧箍咒
核电站的不安全、高成本，以及核电缺乏灵活性，都是核电大规模应用的痼疾，这也是为什么在核电诞生了六十余年后，核电在全球发电量中占比依然不足10%。新一代核电技术就是要打破这些陈旧的“紧箍咒”，放大其稳定持续发电的优势。
当我们在细数2023年以来，核能行业的回温的种种表现时，需要明白一个现实：之所以各国都在小步快走地推进核电，是因为其他新能源尚不能独立支撑能源安全，而核电不仅有“电”的属性，也有我们无法忘却的“核”属性。
在2023年之前，以欧洲为代表的核电产业实际上呈现出的是减核、弃核趋势，大型核电站的关闭退役潮成为一个难以逆转的潮流。
核电占比最高的法国此前选择采取逐步缩减核能的政策，曾在2015年计划“到2025年将核电比重从75%降到50%”。德国则早在2000年就决定要在2022年关闭境内所有核电站，只不过因为俄乌冲突的爆发，拖了一年才完成。
要知道，德国核能研究起步非常早，与法国可以并称为欧洲两大核电巨头，很多人以此来论证核电的风险。
德国已经关停境内所有核电站
事实上，德国、法国关闭的大多是第二代大型核电站，且做出这些决定并不完全是因为核电技术不够先进和安全，也不是因为其他能源已经富足到不需要核电补充，最主要的原因是政党之间的博弈，这一点我们暂时按下不表。
为了避免强放射性物质的直接伤害与长期潜在威胁，第二代大型核电站关闭退役也能理解，不过这些问题在新一轮的核电项目上已经有了更安全的技术替代方向：一是在规模上，推行安全低成本的小微型反应堆，二是推进第三代、第四代核电站技术的研发落地。
08
第三代接棒
前文提到，我国目前的新建核电机组计划应用的都是第三代及以上核电机组，主导堆型为压水堆。
在核电领域，通常把上世纪五六十年代建造的验证性核电站称为第一代；七八十年代标准化、系列化、批量建设的核电站称为第二代；第三代则是指90年代开发成熟的先进轻水堆。第四代核电技术则是指正在开发中的新一代核电技术，国际上对其提出了经济性更好、安全性更高、核废物最少、防止核扩散能力强等多项要求。
每一代技术的更迭，简单概括，核心指标就是机组的安全标准不断提高，事故发生概率不断降低。
上一代堆型往往构造本身就有一定风险，比如福岛核电站。它其实就是上世纪70年代的第二代核电机组，反应堆采用沸水堆（BWR）。这个沸水堆顾名思义，就是用沸腾的水来冷却核燃料的一种反应堆：冷却水从反应堆底部流进堆芯，对燃料棒进行冷却，带走核燃料棒中核裂变产生的热能，此后冷却水温度升高并逐渐气化，最终形成蒸汽和水的混合物，经过汽水分离器和蒸汽干燥器，利用分离出的蒸汽推动汽轮进行发电。
这也意味着，沸水堆的设计中，反应堆堆芯直接与蒸汽发生器相连，产生的蒸汽才能直接驱动汽轮机发电。
这种设计简化了系统，所以一旦场内外电力丧失，反应堆冷却系统就会失效，导致反应堆燃料过热、熔化；堆芯损坏后，燃料温度增加，冷却水逐渐气化，回路压力就会增加，所以必须进行释压处理，进而造成放射性物质泄漏。在超记录的自然灾害面前，这种设计的弱点更会被放大。
但是压水堆（PWR）不同，它是采用高压水来冷却核燃料的一种堆型，利用高压水作为反应堆的冷却剂和慢化剂。换句话说，压水堆核电站的工作原理是利用核裂变反应产生的热量，通过两次回路的热交换，最终将热能转化为电能。值得注意的是，在一回路也就是反应堆压力容器中，它能通过高压保持冷却剂的液态，从而提高热效率和安全性。
压水堆并不完全是第三代技术，而是经过不断改良的新“版本”
与沸水堆堆型相比，压水堆的确在设计安全性上略胜一筹。法国作为核电摇摆派，一边关停老旧核电站，一边又在筹划新的核电机组，选择的也是压水堆型。今年2月，法国政府计划向立法机构提交《能源主权法案草案》，将新建核电以达成减碳目标，包括建设六座以上的EPR(欧洲压水堆)核电机组。
其实压水堆也不是核电站安全的“金字招牌”：切尔诺贝利事故就发生在压水堆的改进版本（RBMK）上，三哩岛事故同样也是压水堆堆型。只不过在最新一代压水堆技术中——也就是华龙一号福清核电5号机组所应用的技术——已经在前一代的技术储备和运行经验基础上，针对其不足之处开发验证了新技术。
比如以往核电站能抗6、7级地震，而“华龙一号”的抗震水平在9级以上，同时增加了大量被动安全系统，包括自然循环系统和余热排出系统。
设在其安全壳内的三个大容量水箱，在外部电源和动力完全丧失的情况下，依然能够靠重力利用自然循环将堆芯余热排出，保证反应堆堆芯的安全；相比之下，一些老机组更多依赖主动安全系统，也就是电力供能，一旦电力供应中断，安全系统可能失效。
核电界认为，三代核电机组大规模放射性物质释放到环境的可能性大幅降低，只不过“更安全”只是一个相对概念，华龙一号虽然在设计上做了许多改进，但其安全性还不达不到理论上的最优。
09
村里最有期待的第四代路线
更进一步的便是第四代核电站技术。第四代技术最突出的就是“固有安全性”和“核废料的减少”，目前掌握第四代核电技术的国家不多，真正发电并网的项目落地更少，技术路线目前还没有收束至一条上，所以现在对于第四代反应堆并没有精确的定义。
不过，国际原子能机构（IAEA）倒是选出了的第四代核电站技术中具有代表性的六种反应堆堆型，分别是气冷快堆、铅冷快堆、熔盐反应堆、钠冷快堆、超临界水冷反应堆和超高温气冷堆。几种路线的主要区别在于，一是冷却剂的不同，二是中子增殖特性的不同。
第四代核反应堆的六种主要技术路线
我国选择的主要是高温气冷堆和钠冷快堆两个路线。高温气冷堆的“固有安全性”是因为能“自己停堆”，钠冷快堆的安全性在于钠作为冷却剂，同时由于是“快堆”，核废料大大减少。
在高温气冷堆中，惰性气体氦气作为冷却剂，石墨则为“中子减速器”，它具有良好的耐高温性能，即使出现事故，石墨也能有效地慢化中子，防止反应堆功率失控。此外，我国又自主研制了“耐高温陶瓷球形燃料元件”，给高温气冷堆的核燃料变成了球状，还穿上了“铠甲”，能有效防止放射性物质泄漏。
换句话说，高温气冷堆的安全性与其独特的堆芯设计和冷却剂特性密切相关，所谓的“自己停堆”更准确地说是指其被动安全特性。
独特的堆芯设计也能提高安全性
业内人士解释，核裂变是一个链式反应，会不断放热。“正常的反应堆是通过发电把热转化成电，消耗热能；而如果反应堆故障，就需要人为冷却，否则温度就会越来越高，最后堆芯熔化，只能封堆。”这就是大部分事故后需要漫长的时间解决的主要原因。
“快堆”的全称是“快中子增殖堆”，上述具有代表性的六种堆型，有三种都是快堆。目前全世界有400多座核电站，主要都是由热中子引发裂变反应，因而又被称为“热堆”。一般能量在1电子伏特以下的中子被称为“热中子”，以上被称为“快中子”。
在天然铀中，仅有不到1%的铀235，能够在热中子作用下发生裂变反应，而占天然铀绝大部分的铀238却不能，这意味着，铀燃料中99%的能量被浪费了。但快堆不一样，它不会拦截铀235与钚239燃料裂变时产生的快中子，因此当快中子轰击反应区周围的铀238时，铀238会以一定比例将其吸收，产生新的钚239……于是核燃料会越烧越多，再生速度高于消耗速度，我们这样的贫铀国家选择快堆实在是最理想的。
快堆的好处在于能“变废为宝”，同时适合模块化、低成本、小微型化建造，无论中外，都被视为最有希望的第四代技术路线。
