文 |  王可珂

隨著全球人工智能、云計算、物聯網、區塊鏈等新一代信息技術的快速發展，作為技術載體的數據中心用能需求將大幅增加。國際能源署(IEA)在《2025電力報告》中稱，未來三年，預計全球電力消耗量將以大約4%的速度逐年增長，來自工業生產、數據中心、空調需求、電氣化等領域的電力需求將使得全球電力消耗量大幅增長。

數據中心包含以服務器為代表的IT算力設備，以及為了保障IT設備正常運行的基礎支撐設施，如供配電系統、制冷系統等。

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

數據中心快速、集中的負荷增長將給區域電力系統的穩定性和可靠性帶來挑戰。截至2025年2月，全球大約有8900個數據中心，其中約37%位于美國，16%位于歐洲，近10%位于中國。

據美國勞倫斯伯克利國家實驗室2024年12月發布的《2024美國數據中心能源使用情況》報告，2023年數據中心約消耗了美國總電力的4.4%，預計到2028年將消耗美國總電力的6.7%-12%。數據中心總用電量從2014年的580億千瓦時攀升至2023年的1760億千瓦時，預計到2028年將增加至3250億-5800億千瓦時。

其中，弗吉尼亞州、德克薩斯州、加利福尼亞州是美國主要數據中心集聚區。據預測，在弗吉尼亞州北部的“Data Center Alley”——世界上最大的數據中心集中地，電力需求到2030年可能會增長近4倍，從目前的約400萬千瓦增至1500萬千瓦，這大約相當于弗吉尼亞州電力總負荷的一半。疊加傳統燃煤發電機組退役、電網線路老化和建設不及預期、電動汽車等其他新型負荷增長等因素，高耗能、24小時連續運行的數據中心需重構用能方案。

全球碳中和背景下數據中心需要加速綠色低碳化發展。數據中心全生命周期的碳排放主要在運營階段，運營階段的碳排放占比約為90%。因此，為降低數據中心碳排放，一是通過改進制冷方式、優化機架設計、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基礎設施（平均能耗占比約60%）以及相關的散熱冷卻系統（平均能耗占比約40%）的高電力需求。

作為一種清潔、低碳、穩定、可靠、高能量密度的電源類型，核電被越來越多地視為支持數據中心可持續發展的潛在關鍵能源，有望在未來10-20年支撐數據中心不斷增長的用能需求，助力構建更安全、低碳、高效、經濟性好的數據中心供能體系。

核電與數據中心耦合的潛力

核電具有低碳排放、高可靠性，可滿足數據中心對全天候低碳電力的需求。核電作為一種設備利用小時數高的電源類型，能夠提供全天候不間斷電力，有效滿足數據中心99.999%的供電可靠性需求。

由于風電、光伏發電具有隨機性、間歇性和波動性，水電項目面臨建設周期長、審批流程繁瑣、環境評估成本高等挑戰，數據中心難以僅靠可再生能源電力供電。數據中心新增用電需求如果需要新建更多的化石能源發電量來匹配滿足，無法完成碳減排目標。

核電不受氣候條件限制，可確保算力設施在AI訓練、云計算、區塊鏈驗證等高負荷任務運行過程中的電力連續供應。除此之外，根據中國生態環境部等三部門發布的2023全國發電碳足跡因子，核電全生命周期碳排放碳足跡因子是所有發電類型中最低的，每發一度電的二氧化碳排放僅為6.5g，遠低于水電、光伏發電。

核電正成為實現大型科技公司實現“零碳數據中心”目標的重要工具。

2024年9月，微軟與Constellation Energy簽署了價值16億美元的購電協議。根據協議規定，Constellation Energy將會重啟三哩島核電站1號機組，在未來20年時間里為微軟位于大西洋中部地區的數據中心提供清潔核電。

美國互聯網科技公司Meta于2024年12月發布“征求意見書”，尋找“從項目的開始到結束都參與其中的各方”，即公司尋求能與核電項目整個生命周期匹配的實體企業建立伙伴關系，包括選址、許可、設計、建設和運營，并將考慮開發小型模塊化反應堆或大型核電反應堆，表示計劃在2030年初新增100萬-400萬千瓦的核電裝機容量，以支持數據中心及其周邊社區增長的用電需求，來幫助其實現人工智能和可持續發展目標。

2024年10月，谷歌宣布將從小型模塊化反應堆開發商Kairos Power購買電力。根據協議，Kairos Power將為谷歌提供約50萬千瓦的核電，計劃建造7座小型模塊化反應堆，為其數據中心提供電力支持。這些新型核電站預計將于2030年左右投入運營。Kairos Power正在開發一種新型核電技術，即使用氟化鋰和氟化鈹的熔鹽反應堆代替傳統的水冷堆。熔鹽堆具有固有安全特性，高溫穩定性好，能夠在較低壓力下運行，比傳統反應堆更安全。

小型模塊化反應堆部署靈活、建設周期較短。小型模塊化反應堆通常指裝機容量小于30萬千瓦的反應堆，簡稱小型堆。小型模塊化反應堆采用模塊化設計、設備系統工廠預制和現場模塊化組裝。

小型堆可直接建設在數據中心附近，減少遠距離輸電損耗，提高整體能源利用效率。相比于傳統大型核電站的建設周期較長且投資規模巨大，小型堆具備更強的部署靈活性，使數據中心擺脫傳統電網依賴，提高能源自主性，適用于國家級超級計算中心及其他對能源安全要求高的企業。部分小型堆可實現負荷跟蹤調節，滿足新增的有限電力負荷需求，適應數據中心的動態負荷，快速響應算力需求。

2024年3月，亞馬遜網絡服務公司(Amazon Web Services, AWS)向美國電力公司Talen Energy支付了6.5億美元，購買了毗鄰賓夕法尼亞州薩斯奎漢納核電站的一個數據中心園區，確保核電站向數據中心直接供電，并簽署了向Talen公司購買核電的長期協議，使得亞馬遜數據中心能夠獲得穩定且相對低廉的電力供應，以支持其云計算和數據處理業務。

小型堆的余熱可用于數據中心液冷技術，進一步降低能耗。瑞士核能初創公司Deep Atomic發布了專門用于為數據中心供電的MK 60輕水反應堆，利用余熱進行冷卻，提升了整體能源效率。每個模塊能夠提供6萬千瓦電力輸出和6萬千瓦制冷能力，解決了數據中心面臨的電力供應和熱量排放兩大挑戰。

與大型堆相比，小型堆不但可以維持重要的算力基礎設施用電需求，還可以進行模塊化部署，從而降低了初始投資成本支出和項目風險，且無論天氣狀況或電網不穩定，都可以全天候供電。例如MK 60清水反應堆，在部署多個模塊后，裝機可從6萬千瓦擴展到100萬千瓦以上，以滿足不斷增長的能源需求。

由于小型堆的良好前景，全球越來越多政府部門和企業開始投資并建設小堆電站。根據伍德麥肯茲統計，小型堆項目計劃在2024年一季度達到220萬千瓦，比2021年增長了65%。

2024年10月，美國能源部開始接受資助申請，以推動美國首次部署第三代核電技術和小型堆。在招標中，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堆，單堆裝機容量為5-35萬千瓦，與目前的大型核電站設計相比，其安全性、保障性和環境效益相同或更高。中國核電建設的“玲龍一號”是全球首個開工的標準化的陸上商用模塊化小型堆，是全球首個三代輕水小堆，預計將于2026年建成。

核電與數據中心耦合的挑戰

大型核電站建設周期長，前期投資大，短期內難以適應數據中心的快速擴張需求。大多數小型堆項目仍處于概念設計和技術驗證階段，尚未實現商業化部署，技術成熟度仍然存在不確定性和額外的技術風險，長期運行的可靠性需進一步驗證，建設和運營成本仍然存在高度不確定性。

小型堆設計方NuScale Power就因明顯的成本超支和建設進度延遲，取消了該項目建設計劃。

如果風電、光伏、儲能成本持續下降，可能影響核電在數據中心行業的競爭力。據國際能源署分析，在獲得充分支持的情況下，到2040年，全球小型堆裝機容量將達到8000萬千瓦，占核電總裝機容量的10%。但是，小型堆技術的順利開發和應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、海上風電項目相當的水平，即約為60-80美元/兆瓦時。

核電監管審批流程嚴格、漫長，標準不完善，核電項目建設進度不及預期。

例如，在AWS與Talen Energy簽署購電協議后，美國區域輸電組織PJM就要求聯邦能源管理委員會(FERC)同意PJM、PPL Electric Utilities和Talen Energy之間修訂互連服務協議，允許把Talen Energy的核電裝機容量從30萬千瓦增加到48萬千瓦，無需進行任何傳輸升級。

2024年11月，FERC拒絕了該協議，原因是其認為該協議可能會轉移目前供應區域電網中的大量電力，從而打破原有的電力供應平衡，影響其他地區和用戶的電力供應穩定性。此外，協議中對于輸電和配電升級費用的分擔方式不明確，雖然核電直接供應數據中心，但實際上核電站無法獨立運行，需要PJM等區域電網的支持，數據中心消耗的任何電力都間接屬于電網的一部分。因此，這可能給當地輸電基礎設施造成壓力，也給電力市場和消費者帶來潛在經濟風險和用電供應風險。

除此之外，Meta在核電站附近建造一座新人工智能計算中心的計劃，由于環境問題暫停，主要原因是在對施工場地進行環境評估時，調查人員偶然發現一種瀕臨滅絕的蜜蜂，監管機構叫停了該項目。

核電與數據中心耦合，還應重視高豐度低濃縮鈾燃料的安全供應。

鈾是核能發電的主要原料。傳統三代核電用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，大修需要停堆一個月。

但數據中心需要不間斷運行，無法適應現有核電站的停堆換料周期，使得核電項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，減少停電風險。

例如，美國核反應堆開發商OKLO的Aurora鈉冷快堆，使用U-235含量為19.75%的高豐度燃料，可以實現最高20年的超長換料周期。

然而，世界鈾資源、產能分布與需求不平衡，以及越來越多的發展中國家轉向核能，先進反應堆對HALEU的需求不斷增加，長期、安全、穩定的鈾資源供應正在成為一些國家關注的議題。

2024年1月，英國啟動了總投資達3億英鎊的HALEU計劃，目標到2031年在英國建立HALEU產能。英國能源安全和凈零排放部表示，這筆投資將助力保障2050年2400萬千瓦核電裝機容量的燃料供應。

隨后，英國政府宣布在HALEU計劃下的第一筆投資，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設施。

美國能源部也于去年宣布，為滿足新一輪先進反應堆對高濃鈾的需求，已經同四家企業初步擬定了合同。

整體看，核電在滿足未來數據中心電力需求方面具有顯著優勢，特別是其穩定、低碳和高能量密度的特性，使其成為數據中心減少碳排放的重要選擇。然而，核電目前仍面臨成本高、技術不成熟、監管和天然鈾供應安全等挑戰，各國政府、企業需要密切合作，以支持數據中心等未來用電量持續增長的行業。

（本文經作者授權發布，僅代表作者觀點。作者為北京大學能源研究院氣候變化與能源轉型項目分析師 。）