文 |  王可珂

隨著全球人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，作為技術(shù)載體的數(shù)據(jù)中心用能需求將大幅增加。國(guó)際能源署(IEA)在《2025電力報(bào)告》中稱，未來三年，預(yù)計(jì)全球電力消耗量將以大約4%的速度逐年增長(zhǎng)，來自工業(yè)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)中心、空調(diào)需求、電氣化等領(lǐng)域的電力需求將使得全球電力消耗量大幅增長(zhǎng)。

數(shù)據(jù)中心包含以服務(wù)器為代表的IT算力設(shè)備，以及為了保障IT設(shè)備正常運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐設(shè)施，如供配電系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等。

2022年，全球數(shù)據(jù)中心、加密貨幣和人工智能行業(yè)的耗電量約為4600億千瓦時(shí)，大約占全球總電力需求的2%。到2026年，全球數(shù)據(jù)中心、加密貨幣和人工智能行業(yè)的耗電量將介于6200億-10500億千瓦時(shí)之間，全球數(shù)據(jù)中心的電力需求將翻一番。

數(shù)據(jù)中心快速、集中的負(fù)荷增長(zhǎng)將給區(qū)域電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性帶來挑戰(zhàn)。截至2025年2月，全球大約有8900個(gè)數(shù)據(jù)中心，其中約37%位于美國(guó)，16%位于歐洲，近10%位于中國(guó)。

據(jù)美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室2024年12月發(fā)布的《2024美國(guó)數(shù)據(jù)中心能源使用情況》報(bào)告，2023年數(shù)據(jù)中心約消耗了美國(guó)總電力的4.4%，預(yù)計(jì)到2028年將消耗美國(guó)總電力的6.7%-12%。數(shù)據(jù)中心總用電量從2014年的580億千瓦時(shí)攀升至2023年的1760億千瓦時(shí)，預(yù)計(jì)到2028年將增加至3250億-5800億千瓦時(shí)。

其中，弗吉尼亞州、德克薩斯州、加利福尼亞州是美國(guó)主要數(shù)據(jù)中心集聚區(qū)。據(jù)預(yù)測(cè)，在弗吉尼亞州北部的“Data Center Alley”——世界上最大的數(shù)據(jù)中心集中地，電力需求到2030年可能會(huì)增長(zhǎng)近4倍，從目前的約400萬千瓦增至1500萬千瓦，這大約相當(dāng)于弗吉尼亞州電力總負(fù)荷的一半。疊加傳統(tǒng)燃煤發(fā)電機(jī)組退役、電網(wǎng)線路老化和建設(shè)不及預(yù)期、電動(dòng)汽車等其他新型負(fù)荷增長(zhǎng)等因素，高耗能、24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行的數(shù)據(jù)中心需重構(gòu)用能方案。

全球碳中和背景下數(shù)據(jù)中心需要加速綠色低碳化發(fā)展。數(shù)據(jù)中心全生命周期的碳排放主要在運(yùn)營(yíng)階段，運(yùn)營(yíng)階段的碳排放占比約為90%。因此，為降低數(shù)據(jù)中心碳排放，一是通過改進(jìn)制冷方式、優(yōu)化機(jī)架設(shè)計(jì)、降低芯片能耗等方式提高能效，二是通過使用清潔電力，滿足IT基礎(chǔ)設(shè)施（平均能耗占比約60%）以及相關(guān)的散熱冷卻系統(tǒng)（平均能耗占比約40%）的高電力需求。

作為一種清潔、低碳、穩(wěn)定、可靠、高能量密度的電源類型，核電被越來越多地視為支持?jǐn)?shù)據(jù)中心可持續(xù)發(fā)展的潛在關(guān)鍵能源，有望在未來10-20年支撐數(shù)據(jù)中心不斷增長(zhǎng)的用能需求，助力構(gòu)建更安全、低碳、高效、經(jīng)濟(jì)性好的數(shù)據(jù)中心供能體系。

核電與數(shù)據(jù)中心耦合的潛力

核電具有低碳排放、高可靠性，可滿足數(shù)據(jù)中心對(duì)全天候低碳電力的需求。核電作為一種設(shè)備利用小時(shí)數(shù)高的電源類型，能夠提供全天候不間斷電力，有效滿足數(shù)據(jù)中心99.999%的供電可靠性需求。

由于風(fēng)電、光伏發(fā)電具有隨機(jī)性、間歇性和波動(dòng)性，水電項(xiàng)目面臨建設(shè)周期長(zhǎng)、審批流程繁瑣、環(huán)境評(píng)估成本高等挑戰(zhàn)，數(shù)據(jù)中心難以僅靠可再生能源電力供電。數(shù)據(jù)中心新增用電需求如果需要新建更多的化石能源發(fā)電量來匹配滿足，無法完成碳減排目標(biāo)。

核電不受氣候條件限制，可確保算力設(shè)施在AI訓(xùn)練、云計(jì)算、區(qū)塊鏈驗(yàn)證等高負(fù)荷任務(wù)運(yùn)行過程中的電力連續(xù)供應(yīng)。除此之外，根據(jù)中國(guó)生態(tài)環(huán)境部等三部門發(fā)布的2023全國(guó)發(fā)電碳足跡因子，核電全生命周期碳排放碳足跡因子是所有發(fā)電類型中最低的，每發(fā)一度電的二氧化碳排放僅為6.5g，遠(yuǎn)低于水電、光伏發(fā)電。

核電正成為實(shí)現(xiàn)大型科技公司實(shí)現(xiàn)“零碳數(shù)據(jù)中心”目標(biāo)的重要工具。

2024年9月，微軟與Constellation Energy簽署了價(jià)值16億美元的購(gòu)電協(xié)議。根據(jù)協(xié)議規(guī)定，Constellation Energy將會(huì)重啟三哩島核電站1號(hào)機(jī)組，在未來20年時(shí)間里為微軟位于大西洋中部地區(qū)的數(shù)據(jù)中心提供清潔核電。

美國(guó)互聯(lián)網(wǎng)科技公司Meta于2024年12月發(fā)布“征求意見書”，尋找“從項(xiàng)目的開始到結(jié)束都參與其中的各方”，即公司尋求能與核電項(xiàng)目整個(gè)生命周期匹配的實(shí)體企業(yè)建立伙伴關(guān)系，包括選址、許可、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，并將考慮開發(fā)小型模塊化反應(yīng)堆或大型核電反應(yīng)堆，表示計(jì)劃在2030年初新增100萬-400萬千瓦的核電裝機(jī)容量，以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心及其周邊社區(qū)增長(zhǎng)的用電需求，來幫助其實(shí)現(xiàn)人工智能和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

2024年10月，谷歌宣布將從小型模塊化反應(yīng)堆開發(fā)商Kairos Power購(gòu)買電力。根據(jù)協(xié)議，Kairos Power將為谷歌提供約50萬千瓦的核電，計(jì)劃建造7座小型模塊化反應(yīng)堆，為其數(shù)據(jù)中心提供電力支持。這些新型核電站預(yù)計(jì)將于2030年左右投入運(yùn)營(yíng)。Kairos Power正在開發(fā)一種新型核電技術(shù)，即使用氟化鋰和氟化鈹?shù)娜埯}反應(yīng)堆代替?zhèn)鹘y(tǒng)的水冷堆。熔鹽堆具有固有安全特性，高溫穩(wěn)定性好，能夠在較低壓力下運(yùn)行，比傳統(tǒng)反應(yīng)堆更安全。

小型模塊化反應(yīng)堆部署靈活、建設(shè)周期較短。小型模塊化反應(yīng)堆通常指裝機(jī)容量小于30萬千瓦的反應(yīng)堆，簡(jiǎn)稱小型堆。小型模塊化反應(yīng)堆采用模塊化設(shè)計(jì)、設(shè)備系統(tǒng)工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)模塊化組裝。

小型堆可直接建設(shè)在數(shù)據(jù)中心附近，減少遠(yuǎn)距離輸電損耗，提高整體能源利用效率。相比于傳統(tǒng)大型核電站的建設(shè)周期較長(zhǎng)且投資規(guī)模巨大，小型堆具備更強(qiáng)的部署靈活性，使數(shù)據(jù)中心擺脫傳統(tǒng)電網(wǎng)依賴，提高能源自主性，適用于國(guó)家級(jí)超級(jí)計(jì)算中心及其他對(duì)能源安全要求高的企業(yè)。部分小型堆可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤調(diào)節(jié)，滿足新增的有限電力負(fù)荷需求，適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的動(dòng)態(tài)負(fù)荷，快速響應(yīng)算力需求。

2024年3月，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)公司(Amazon Web Services, AWS)向美國(guó)電力公司Talen Energy支付了6.5億美元，購(gòu)買了毗鄰賓夕法尼亞州薩斯奎漢納核電站的一個(gè)數(shù)據(jù)中心園區(qū)，確保核電站向數(shù)據(jù)中心直接供電，并簽署了向Talen公司購(gòu)買核電的長(zhǎng)期協(xié)議，使得亞馬遜數(shù)據(jù)中心能夠獲得穩(wěn)定且相對(duì)低廉的電力供應(yīng)，以支持其云計(jì)算和數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)。

小型堆的余熱可用于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)，進(jìn)一步降低能耗。瑞士核能初創(chuàng)公司Deep Atomic發(fā)布了專門用于為數(shù)據(jù)中心供電的MK 60輕水反應(yīng)堆，利用余熱進(jìn)行冷卻，提升了整體能源效率。每個(gè)模塊能夠提供6萬千瓦電力輸出和6萬千瓦制冷能力，解決了數(shù)據(jù)中心面臨的電力供應(yīng)和熱量排放兩大挑戰(zhàn)。

與大型堆相比，小型堆不但可以維持重要的算力基礎(chǔ)設(shè)施用電需求，還可以進(jìn)行模塊化部署，從而降低了初始投資成本支出和項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，且無論天氣狀況或電網(wǎng)不穩(wěn)定，都可以全天候供電。例如MK 60清水反應(yīng)堆，在部署多個(gè)模塊后，裝機(jī)可從6萬千瓦擴(kuò)展到100萬千瓦以上，以滿足不斷增長(zhǎng)的能源需求。

由于小型堆的良好前景，全球越來越多政府部門和企業(yè)開始投資并建設(shè)小堆電站。根據(jù)伍德麥肯茲統(tǒng)計(jì)，小型堆項(xiàng)目計(jì)劃在2024年一季度達(dá)到220萬千瓦，比2021年增長(zhǎng)了65%。

2024年10月，美國(guó)能源部開始接受資助申請(qǐng)，以推動(dòng)美國(guó)首次部署第三代核電技術(shù)和小型堆。在招標(biāo)中，第三代和小型堆被定義為使用輕水作為冷卻劑和低濃鈾燃料的核反應(yīng)堆，單堆裝機(jī)容量為5-35萬千瓦，與目前的大型核電站設(shè)計(jì)相比，其安全性、保障性和環(huán)境效益相同或更高。中國(guó)核電建設(shè)的“玲龍一號(hào)”是全球首個(gè)開工的標(biāo)準(zhǔn)化的陸上商用模塊化小型堆，是全球首個(gè)三代輕水小堆，預(yù)計(jì)將于2026年建成。

核電與數(shù)據(jù)中心耦合的挑戰(zhàn)

大型核電站建設(shè)周期長(zhǎng)，前期投資大，短期內(nèi)難以適應(yīng)數(shù)據(jù)中心的快速擴(kuò)張需求。大多數(shù)小型堆項(xiàng)目仍處于概念設(shè)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證階段，尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)化部署，技術(shù)成熟度仍然存在不確定性和額外的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性需進(jìn)一步驗(yàn)證，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本仍然存在高度不確定性。

小型堆設(shè)計(jì)方NuScale Power就因明顯的成本超支和建設(shè)進(jìn)度延遲，取消了該項(xiàng)目建設(shè)計(jì)劃。

如果風(fēng)電、光伏、儲(chǔ)能成本持續(xù)下降，可能影響核電在數(shù)據(jù)中心行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。據(jù)國(guó)際能源署分析，在獲得充分支持的情況下，到2040年，全球小型堆裝機(jī)容量將達(dá)到8000萬千瓦，占核電總裝機(jī)容量的10%。但是，小型堆技術(shù)的順利開發(fā)和應(yīng)用速度取決于核電能否在2040年前將其成本降低至與大型水電、海上風(fēng)電項(xiàng)目相當(dāng)?shù)乃?，即約為60-80美元/兆瓦時(shí)。

核電監(jiān)管審批流程嚴(yán)格、漫長(zhǎng)，標(biāo)準(zhǔn)不完善，核電項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度不及預(yù)期。

例如，在AWS與Talen Energy簽署購(gòu)電協(xié)議后，美國(guó)區(qū)域輸電組織PJM就要求聯(lián)邦能源管理委員會(huì)(FERC)同意PJM、PPL Electric Utilities和Talen Energy之間修訂互連服務(wù)協(xié)議，允許把Talen Energy的核電裝機(jī)容量從30萬千瓦增加到48萬千瓦，無需進(jìn)行任何傳輸升級(jí)。

2024年11月，F(xiàn)ERC拒絕了該協(xié)議，原因是其認(rèn)為該協(xié)議可能會(huì)轉(zhuǎn)移目前供應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)中的大量電力，從而打破原有的電力供應(yīng)平衡，影響其他地區(qū)和用戶的電力供應(yīng)穩(wěn)定性。此外，協(xié)議中對(duì)于輸電和配電升級(jí)費(fèi)用的分擔(dān)方式不明確，雖然核電直接供應(yīng)數(shù)據(jù)中心，但實(shí)際上核電站無法獨(dú)立運(yùn)行，需要PJM等區(qū)域電網(wǎng)的支持，數(shù)據(jù)中心消耗的任何電力都間接屬于電網(wǎng)的一部分。因此，這可能給當(dāng)?shù)剌旊娀A(chǔ)設(shè)施造成壓力，也給電力市場(chǎng)和消費(fèi)者帶來潛在經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)和用電供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。

除此之外，Meta在核電站附近建造一座新人工智能計(jì)算中心的計(jì)劃，由于環(huán)境問題暫停，主要原因是在對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行環(huán)境評(píng)估時(shí)，調(diào)查人員偶然發(fā)現(xiàn)一種瀕臨滅絕的蜜蜂，監(jiān)管機(jī)構(gòu)叫停了該項(xiàng)目。

核電與數(shù)據(jù)中心耦合，還應(yīng)重視高豐度低濃縮鈾燃料的安全供應(yīng)。

鈾是核能發(fā)電的主要原料。傳統(tǒng)三代核電用U-235豐度為3%-5%的低濃縮鈾燃料，約需要每一年到一年半大修換料一次，大修需要停堆一個(gè)月。

但數(shù)據(jù)中心需要不間斷運(yùn)行，無法適應(yīng)現(xiàn)有核電站的停堆換料周期，使得核電項(xiàng)目需采用高豐度低濃鈾(HALEU)作為小型堆的燃料，降低換料頻率，減少停電風(fēng)險(xiǎn)。

例如，美國(guó)核反應(yīng)堆開發(fā)商OKLO的Aurora鈉冷快堆，使用U-235含量為19.75%的高豐度燃料，可以實(shí)現(xiàn)最高20年的超長(zhǎng)換料周期。

然而，世界鈾資源、產(chǎn)能分布與需求不平衡，以及越來越多的發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)向核能，先進(jìn)反應(yīng)堆對(duì)HALEU的需求不斷增加，長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定的鈾資源供應(yīng)正在成為一些國(guó)家關(guān)注的議題。

2024年1月，英國(guó)啟動(dòng)了總投資達(dá)3億英鎊的HALEU計(jì)劃，目標(biāo)到2031年在英國(guó)建立HALEU產(chǎn)能。英國(guó)能源安全和凈零排放部表示，這筆投資將助力保障2050年2400萬千瓦核電裝機(jī)容量的燃料供應(yīng)。

隨后，英國(guó)政府宣布在HALEU計(jì)劃下的第一筆投資，即向歐洲鈾濃縮公司(Urenco)提供1.96億英鎊，幫助該公司在2031年建成首座高豐度低濃鈾生產(chǎn)設(shè)施。

美國(guó)能源部也于去年宣布，為滿足新一輪先進(jìn)反應(yīng)堆對(duì)高濃鈾的需求，已經(jīng)同四家企業(yè)初步擬定了合同。

整體看，核電在滿足未來數(shù)據(jù)中心電力需求方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，特別是其穩(wěn)定、低碳和高能量密度的特性，使其成為數(shù)據(jù)中心減少碳排放的重要選擇。然而，核電目前仍面臨成本高、技術(shù)不成熟、監(jiān)管和天然鈾供應(yīng)安全等挑戰(zhàn)，各國(guó)政府、企業(yè)需要密切合作，以支持?jǐn)?shù)據(jù)中心等未來用電量持續(xù)增長(zhǎng)的行業(yè)。

（本文經(jīng)作者授權(quán)發(fā)布，僅代表作者觀點(diǎn)。作者為北京大學(xué)能源研究院氣候變化與能源轉(zhuǎn)型項(xiàng)目分析師 。）