小型模块化核反应堆(SMR)长期以来似乎就像登月计划一样，很有希望，但没有足够的商业利益。但这种情况最近发生了变化，由于对用于人工智能(AI)处理的电力需求飙升，科技巨头纷纷宣布支持SMR项目。
本月早些时候，谷歌(Google)母公司Alphabet Inc.(GOOG)表示，已与Kairos Power签署了一份购电协议，购买后者一个最高500兆瓦的SMR项目的电力。亚马逊(Amazon.com Inc., AMZN)表示，将与X-energy合作开发一个320兆瓦的项目，该项目由华盛顿州的一家公用事业公司联合支持。这些SMR项目不会一蹴而就。谷歌和亚马逊预计，他们首批项目最早也要到本世纪30年代才能上线。甲骨文(Oracle Corp., ORCL)是另一家值得关注的公司：董事长拉里·埃里森(Larry Ellison)在9月份的财报电话会议上表示，该公司正在设计一个1吉瓦以上的数据库中心，并已获得三个SMR反应堆的建设许可证。
至少从理论上讲，SMR有可能解决核能领域的一些最大难题：成本、安全和时间。这就是科技公司的支持如此重要的原因。该行业需要进行测试和学习，然后才能证明其益处。
什么是SMR？
核电站通过分裂原子来产生能量，这一过程会产生热量，然后产生蒸汽来发电。核电站通常使用铀燃料来进行这一过程。该过程最初需要外部中子源来分裂铀原子。一旦这一过程开始，原子在分裂时就会开始释放热量、辐射和更多中子，这是一个链式反应。小型模块化反应堆也是如此，但是在工厂生产的。它们的功率通常低于350兆瓦。有些甚至可以小到1到10兆瓦。
SMR技术有何不同？
据国际原子能机构(International Atomic Energy Agency)称，全球正在开发80多种SMR设计和概念。这些设计在尺寸、冷却剂类型和燃料方面有所不同。
NuScale、GE Hitachi、Holtec和西屋电气(Westinghouse)等公司的计划基本上是在现有核电站的基础上进行改造，建造更小的核电站。这些设计在SMR装置中使用水作为冷却剂，并使用低浓缩铀作为燃料，就像美国所有运行中的核电站一样。
美国能源部(Department of Energy)最近发布的关于先进核能的报告指出，这类SMR更有可能更早部署，因为它们类似于现有的核电站。NuScale在审批程序方面领先一步：它是唯一一家获得能源部标准设计批准的SMR公司。该公司已申请对其更大版本反应堆（77兆瓦）的认证，预计将于2025年年中获得批准。NuScale已与罗马尼亚核能生产商RoPower签订了一份462兆瓦项目的合同，该项目最早可能在2029年完成。
其他公司，包括阿尔特曼(Sam Altman)支持的Oklo、比尔·盖茨(Bill Gates)支持的TerraPower、Kairos Power和X-Energy，则计划使用不同类型的冷却剂（熔融盐、液态金属或气体）和一种浓缩度更高的铀燃料，称为高含量低浓缩铀(HALEU)。这些燃料中，在链式反应过程中产生能量的铀同位素的比例更高。Kairos是第一家也是唯一一家获得美国核管理委员会批准建造示范反应堆的非水冷SMR公司。该项目已于7月开工建设，该公司的计划是通过这种规模较小的项目快速学习。
美国能源部表示，这些先进的SMR技术具有一些前景良好的安全特性，而且HALEU的燃料使用寿命更长。不过，它们也没有很长的往绩记录，而且HALEU的获取途径也有限：目前只有俄罗斯拥有商业规模的HALEU浓缩能力。美国能源部一直在推动这种燃料的供应，最近向一些公司授予了最长10年的HALEU生产合同。
成本
美国能源部的报告显示，核电站建设成本超支的一个原因与其说是技术本身，不如说是因为此类项目建设频率太低，导致缺少“肌肉记忆”，产业基础萎缩。项目建设不频繁也意味着，受过核电培训的工人正在老去，或者已经转行。美国最新的核反应堆是Vogtle 3号和4号机组，而上一个核电项目的开工建设要追溯到1978年。
SMR采用模块化工厂制造，这意味着随着公司积累经验，成本应该会随着时间的推移而下降。行业观察人士认为，最初的SMR项目在平准化度电成本（即项目整个生命周期的成本）上，不一定低于传统的核电项目。伍德麦肯兹(Wood Mackenzie)估计，首个SMR反应堆的平准化度电成本为180美元/兆瓦时，不过在获得补贴的情况下，成本可能会降至100美元/兆瓦时。第二代和第三代SMR的成本应该会更低。美国能源部估计，从第一座核电站到第三座核电站，成本可降低45%至60%。一些先进的SMR设计可以产生热量，这一特性可以带来额外的收入。
要消除人们对初始成本的担忧，一个办法是效仿飞机制造商的做法，先积累订单，然后将早期成本分摊到多个项目上。
此外，即使SMR的每兆瓦时成本更高，但它们出现成本超支的风险也更低，因为项目所需的资金总额更少。与Vogtle项目150亿至200亿美元的预算超支相比，10亿至20亿美元的成本超支让人更容易接受得多。
不过，成本超支已经给SMR行业带来了麻烦。例如，NuScale去年年底取消了在爱达荷州的拟建项目，原因是其462兆瓦项目的成本估算升至93亿美元，约合每千瓦2万美元。相比之下，Vogtle项目的成本约为每千瓦1.5万美元。
安全性
核能的一个重要安全特性是控制中子分裂原子的速度，以防止热量和能量失控，导致反应堆堆芯熔毁。核燃料棒通常浸入某种冷却剂中，通常是水，反应堆还使用控制棒来控制反应速度，控制棒由易吸收中子的材料制成。
一座核电站通常有多层安全屏障。第一层是包裹铀芯块的金属管，然后是9英寸到1英尺厚的重型钢制反应堆压力容器。据美国核能管制委员会(Nuclear Regulatory Commission)称，周围的混凝土墙（核电站可见的部分）应该是最后一道屏障。
SMR的安全性可能更高。它们往往依赖于非能动安全系统，例如依靠自然循环来冷却反应堆堆芯。这意味着，更少需要外部电力或人工干预来关闭系统。例如，福岛核事故的发生是因为地震破坏了为核电站提供冷却的电力供应。NuScale指出，其反应堆堆芯是通过水的自然循环来冷却的，而不是依靠反应堆冷却剂泵、管道和阀门，如果外部电源中断，这些设备可能会失灵。
那些使用不同冷却剂的先进SMR技术具有额外的安全特性。水基冷却剂需要高气压来防止沸腾。
BloombergNEF核研究主管Chris Gadomski表示，替代冷却剂的沸点通常比水高得多，这使得反应堆可以在低压环境下运行。这意味着如果出现任何问题，燃料只会就地熔化，而不会因为高压而爆炸。Kairos首席执行官Mike Laufer指出，该公司选择的冷却剂是熔融氟化物，它能够与大部分裂变产物结合，从而提供另一种防控机制。
但这些新型冷却剂也带来其他挑战。液态钠遇水会爆炸，而氦气近年来经常出现供应问题。
这些公司也在开发新的燃料封装方式，以确保安全。Kairos和X-energy建议在燃料外层包裹一种名为TRISO的材料，这种材料更耐高温和腐蚀。美国能源部指出，TRISO颗粒可以承受“远远超出当前核燃料阈值”的温度。
大多数SMR公司表示，由于这些安全特性，它们需要的安全缓冲区更小。美国能源部的数据显示，与所有其他电力来源相比，核能在单位能量输出方面占用的空间已经是最小的。核能每英亩土地每年可发电约5.7万兆瓦时，其土地利用效率是风能的18倍，是太阳能的285倍。SMR的另一个潜在优势是需要的空间甚至更小。
时间
全尺寸核电站的审批和建设需要很长时间。Wood Mackenzie能源转型主管David Brown指出，目前尚不清楚SMR的审批流程是否会加快，但其规模较小可能意味着建设时间将短于大型核电项目。该研究公司估计，对于最初的SMR项目，从获得许可到完成建设可能需要10年左右。
NuScale首席商务官Clayton Scott指出，该公司在42个月内获得了NRC设计认证，这是有史以来最快的。对于其他计划使用不同冷却剂和HALEU的SMR公司来说，这可能不能作为一个可靠的参考，但NuScale估计，建设时间将大大短于大型项目，后者通常至少需要10年时间。
哪些问题仍需解决？
对于许多此类公司来说，获得良好的客户渠道是实现商业化的关键一步。这就是为什么谷歌(Google)和亚马逊(Amazon)的声明导致上市SMR公司Oklo和NuScale的股价大幅飙升。
获得许可证是另一个巨大的障碍，而且成本高昂。NuScale花费了5亿美元用于测试和工程，为获得NRC标准设计批准做准备，并另外花费了2亿美元来完成这一过程。燃料供应链的建设也需要时间，美国正在建设HALEU浓缩设施，而SMR公司正为其先进的燃料设计提高制造能力。
当然，有理由对SMR持乐观态度。随着污染更严重的燃煤电厂退役，以及科技公司竞相为人工智能建设数据中心，美国电网未来需要更多全天候供电。
“科技公司利润丰厚，而数据中心的建设对它们的增长至关重要。电力供应是其中的一个必要因素，”Wood Mackenzie的Brown表示。“它们可能是少数一些能够负担得起核电溢价的公司。”
