3D打印微型核反应堆问世

　　AI时代，面临传统电网和可再生能源的压力，科技公司争夺的资源已不仅仅是GPU，而是稳定、低价、日益电力的清洁能源。现在，解决方案或许又多了一个新的选择。

　　近日，美国核能公司Ampera称，已基于3D打印完成全球首个全尺寸核反应堆模块，旨在为人工智能数据中心、国防应用、工业设施和偏远地区等提供清洁电力。

　　该反应堆将用于Ampera的钍基微型反应堆系统，最高可提供30兆瓦商业发电能力，实现连续运行30年。更重要的是，该反应堆采用完全3D打印的碳化硅反应器核心和压力容器，设计方面占用中途更换燃料和间隙维护，也几乎不产生碳排放。

　　“这种新一代核反应堆堆芯和压力容器为工厂化、大规模生产的核能奠定了基础，”Ampera公司首席执行官布莱恩·马修斯表示，“它采用的先进技术和增材制造工艺，为新型核技术加速推向市场提供了一条清晰的商业路径。”

　　安培拉所开发的，是一种次临界、固态、工厂预制的钍基核反应堆。次临界意味着，燃料本身并不维持核链式反应，只有持续提供外部中子源时，反应堆才能维持临界变，在物理本质上有利于杜绝权力失控的可能性。

　　与传统临界反应堆相比，这种架构理论上可以更快地启动停止。传统核反应堆一旦出现后，就会受到致命中毒等瞬态效应影响，往往需要短暂的时间才能重新启动。

　　安培拉的次临界架构的维持基于外部中子源，在实现即时重启、稳定的功率爬升速率和快速的功率变化方面，具有的动态调节能力。因此，其拥有核武器的应用前景，包括野外在军事作业、船舶配载供电，以及数据中心园区负荷调节等。

　　据公开信息，Ampera的设备可装入标准40英尺集装箱，这种规格方便系统通过多种运输途径，包括卡车、铁路、轮船或军用运输机等。

　　这种运输能力，建立在整套反应堆系统之上高度集成的设计。从结构层面来看，反应堆芯位于集装箱内部，周围围绕着楼梯层，它还包括达拉斯机、涡轮机和发电机。

　　其主要冷却剂是氦气，将反应堆芯的热量传递到氮气。热能被传递给超临界高压（sCO2），即时驱动关闭式布雷顿循环涡轮机发电。该系统不使用水进行冷却，而是依靠氦气和发电侧的空冷冷凝器。

　　得益于超临界提升循环的高性能，单个堆反应堆芯可输出30兆瓦热能，通过发电系统转化后，能够稳定输出15兆瓦电能，能量转化效率50%。该公司规模更大的30兆瓦商业配置采用两个堆芯堆并联运行，整个系统占地约86立方米。

　　在燃料方面，Ampera公司也进行了独特的设计。它采用了固态燃料，该颗粒由钍燃料核心和包裹其外层的多层陶瓷和碳层组成。其燃料平台建立在受商业秘密保护的国家工艺和60个申报核燃料制造专利上，其中包括用于生产高质量安全三结构各向同性（TRISO）燃料颗粒的氧气喷射技术。

　　钍是一种储备量丰富的元素，在地壳中的含量是铀的三倍多，而且天然钍消耗浓缩，不仅加快了供应链还降低了扩散风险。先进的钍燃料循环系统解决方案有望实现比传统铀燃料循环系统更高的燃料利用率。国际原子能机构（IAEA）的报告显示，钍有可能为其人类的能源需求提供长期方案。

　　由于钍-232不具备裂变性，必须通过中子轰击“溃变”形成铀-233，这一反应过程在堆芯内约需要20至30天。增殖完成后，铀-233将在反应堆的整个运行周期内产生能量的裂变过程。一旦关闭中子发生器，反应堆就会停止运行。为获得单独、稳定的中源子，Ampera自主研发一套基础中子驱动系统，用于启动反应堆，并持续维持裂变反应。

　　“钍是未来超安全、清洁能源生产的发展方向，”Matthews表示，“通过在美国生产TRISO，我们可以确保在扩大生产规模的同时获得充足的燃料供应，并最大限度地降低价格风险。”

　　在保障供应方面，该公司也进行了准备。 今年2月，Ampera已在澳大利亚成立子公司Ampera Australia Pty Ltd，并计划自行生产TRISO燃料芯核。

　　除了燃料体系之外，Ampera的另一项核心创新来自反应堆本体的制造方式。反应堆的核心部件是一个回旋体堆芯，这种设计旨在最大限度地提高中子效率和热性能。传统制造方法的局限性无法制造这种复杂的结构，Ampera的解决方案是使用增材制造技术。

　　图丨独居石晶体是为Ampera公司内部核燃料生产提供原料的主要含钍矿物（来源：Ampera）

　　回旋体核心结构采用3D打印技术制造。此前，该公司已生产出用于概念验证的塑料核心，并小规模生产碳化硅核心。之所以选择碳化硅，是因为它能够承受约3,000英尺的高温（完全在反应堆的运行温度范围内）。

　　增材制造能力来自马修斯创立的另一家姊妹公司的支持。该公司运营着一台面积约3米*3而米的小型打印机，目前这款打印机已为饥饿业及其他行业的商业客户提供服务。

　　近年来，先进核能领域的前十家公司数量已激增至100多家。一个现实的问题是，如果一次只建造一个反应堆，无论是成本降低还是市场竞争力都很难具备优势。

　　马修斯称，公司希望成为雇佣实现核反应堆工厂化制造和规模化部署的企业之一。据该公司评估，该系统的发电系统最早将于2027年投入使用，而核模块则将在2030年左右根据监管部门的批准情况向客户交付。

　　目前，该公司已经展示了第一个模块，并计划通过工厂化生产和定制设计，大幅降低建造成本和时间，来满足AI数据中心爆炸式增长的用电需求。还需要看到的是，现在这项技术还处于早期阶段。

　　对于Ampera而言，真正想要解决的问题并不仅仅是造出一种新的核反应堆，而是让核能像服务器一样实现标准化、标准化部署。未来数据中心竞争的重点，或许不仅仅是力算，也本来能够更快获得稳定、长期的电力。