在当今科技飞速发展的时代，能源领域的创新始终备受瞩目。国家能源部与中国华能集团共同宣布，石岛湾高温气冷堆小型核电站成功完成 168 小时连续运行考验，正式迈入商业运行阶段。
然而，令人诧异的是，在中文网络世界里，针对这一重大事件的深入探讨与解读却寥寥无几。事实上，石岛湾项目的商业化进程堪称一项具有里程碑意义的关键科技突破，其重要性在某些方面丝毫不逊色于未来实现 UV 光刻机的量产。
自 1954 年 9 月美国核动力潜水艇 “鹦鹉螺号” 下水以来，人类便开启了对核能高效、稳定、安全且小型化应用的不懈探索之旅。核能作为一种清洁能源，在现代社会中的地位日益凸显。以当下热门的 A 大模型为例，OpenAI 的 GPT-4 一次训练耗电量高达 6100 万度电，是 GPT-3 的 47.6 倍，这一数字几乎相当于新西兰或挪威等小型国家全年的人口生活用电量。
“鹦鹉螺号”
再看台湾地区，2021 年其数据中心实际用电量已达 191.9 亿度电，占全岛用电量的 7%，预计到 2025 年这一占比将超过 12%，而每规划一座两纳米晶圆厂，用电量更是近乎增加百亿度以上。由此可见，未来硅基科技、产业与智能的发展，与电力能源尤其是核能潜力的开发紧密相连、息息相关。
小型模块化反应堆在这样的背景下，小型模块化反应堆（SMR）近年来成为全球科技巨头、政府与学界共同关注的焦点。其中，山东省石岛湾项目作为气冷 SMR 的典范之作，自 2012 年 12 月开工建设，历经多年努力，从 2021 年首次并网发电到如今的正式商业化运行，一直吸引着外界的目光。人们最为关心的莫过于它能否稳定运行，在长期服役过程中是否能确保安全可靠。那么，究竟什么是高温气冷反应堆？它是否安全？其技术优势又体现在哪些方面？它会是未来 AI 产业芯片制造业的终极能源解决方案吗？
山东省石岛湾项目
核反应堆的小型化可回溯至 20 世纪 60 年代。据前些年公开的档案资料显示，美国陆军早在 1957 年就启动了代号为 LM-1 的小型移动式反应堆项目，旨在为战场中的陆军雷达和导弹系统提供移动电力。但由于当时的生产能力与安全问题，该项目最终搁浅。毕竟在战场上，携带反应堆无疑会成为敌方间谍与导弹重点攻击的目标。
到了 20 世纪 70 年代，苏联和欧洲相继提出浮动式核电站的概念，即在近海建造漂浮式核电站。1970 年，苏联在远东地区部署了两部 100 兆瓦的小型浮动核电站，并于 1973 年开始对外供电。在亚洲，日本原子能研究所在 1998 年设立的 30 兆瓦 HTR 石墨反应堆项目曾处于领先地位。该项目经过多年推进，在 2010 年左右稳定运行了近 50 天。
漂浮式核电站
然而，因信息泄露、安全稳定性问题以及 2011 年福岛核事故的发生，该项目于 2013 年 7 月被迫关闭，直至 2020 年 5 月日本政府修改福岛法案后才得以重新启动。但由于高温氢气生产能量转化过程过于复杂且难以控制，日本的该项目至今仍处于工程试验阶段。
总体而言，自 2000 年以来，全球各地提出了多达 70 多种不同的 SMR 方案，涵盖压水堆、氦气冷堆、高温气冷实验堆、钠冷快中子堆等多种类型。其中，约一半的 SMR 方案为清水堆，这类方案由第二代或第三代核电技术演变改进而来，其优势在于技术承接性良好，设备材料供应链相对成熟，整体复杂程度较低，因而实现大规模商业化的可能性更高。
但 2011 年福岛事故发生后，情况发生了变化。东电的核废水排放以及海产品污染等问题持续发酵，民众对清水堆的安全担忧日益加剧，这也使得清水小型反应堆方案面临诸多舆论质疑。与之相比，更安全、容错率更高的非清水堆方案逐渐崭露头角，成为世界舞台上的焦点。
非清水堆的安全优势解析以高温气冷堆为代表的非清水堆小型核电站方案之所以更为安全，主要有以下三个关键因素。
其一，福岛核电站事故的根源在于地震引发海啸，破坏了发电机，导致 2 号机组冷却系统失效，炉内温度失控。燃料棒表面的氧化锆与水蒸气发生锆水反应产生大量氢气，氢气与外界氧气接触后引发剧烈爆炸。这一事故凸显了传统清水堆对冷却系统的高度依赖以及氢气爆炸的安全隐患。
福岛核电站事故
而高温气冷堆小型核电站采用了独特的氦气冷却系统，以石岛湾项目为例，氦气作为第一级冷却材料，通过导管进入热交换机，自主向反应堆外壳进行热传导。即便遭遇洪水或冷却系统故障，仍能维持一定的冷却能力，有效降低了核材料因过热融化而引发爆炸的风险。
其二，气冷小型模块化反应堆具有小型化和模块化的显著特点。按照国际原子能机构的定义，SMR 的单堆电功率低于 300 兆瓦。这使得气冷堆核电站占地小、核材料用量少、自然热量低且布局灵活。从物理学角度来看，事故发生时热量释放率相对较低，工程师能够更轻松地控制温度与功率变化，从而缩小事故影响范围。
气冷小型模块化反应堆
其三，气冷 SMR 通常采用一体化、模块化的生产方式。与大型核电站建设不同，它可在同一工厂、同一条产线上完成组装与预测试，然后以整体模块形式运往现场安装。以石岛湾项目为例，其燃料采用全陶瓷包裹的球形材料，这种标准化处理极大地增强了核燃料的密封性，避免了与冷却剂的直接接触，减少了风险。
同时，球形燃料的接触面积最小，利于散热，热传导更加均匀可控，相比传统清水反应堆，可使用更少的铀 235 实现更高的燃料利用率，减少废料产生。这种预处理方式意味着质量更易控制，产品稳定性和可靠性更高，核电装置的安全风险也更低。
未来能源格局中的角色展望那么，未来高温气冷小型核电站会成为主流吗？它是否会在科技与能源技术发展进程中扮演重要角色？答案是肯定的。在未来，数据中心与金源厂配备小型核电站、移动式小型核电反应堆将成为一种趋势。
在电力产业中，有一个常用的 “能源三角” 概念，即在能源供应方面，成本、安全性与稳定性难以同时兼顾，通常只能在三者中选择其二。例如风能和太阳能，虽成本较低且安全性高，但受气候、天气和季节性因素影响，电力输出缺乏稳定性和持续性，无法作为基本负载发电使用。
“能源三角” 概念
传统核电站兼顾了成本与稳定，但安全问题饱受争议。当前，以高温气冷为代表的非清水堆小型核电站面临成本较高的难题，毕竟这是一个极为复杂的系统性工程，涉及众多复杂的模块设计与标准化制定。技术进步是一个渐进的过程，随着规模化工业实践的推进，成本必将随着市场化与规模效应而逐步降低。
总之，随着气候变化成为全人类面临的重大课题，科技发展、竞争，低碳能源转型，区域经济，能源安全，AI 战略，半导体策略等诸多议题相互交织，利益链条日益复杂。可控核聚变虽尚显遥远，但气冷小型模块化反应堆技术却是当下人类能够触及并正在突破的现实工程问题，值得我们给予高度重视与密切关注。
第四代核电技术
在 SMR 技术领域，中国大陆在第四代核电技术方面处于领先地位，处于第一梯队前列，但也面临着国外诸多项目的同步追赶，未来的竞争与挑战并存，科技进步仍需不懈追求。
文章内容来源于：白呀白Talk
