这是2023年7月31日在美国佐治亚州拍摄的沃格特尔核电站3号机组

文/《环球》杂志记者 王鑫方

编辑/胡艳芬

　　人工智能时代的号角已吹响，全球技术巨鳄们纷纷布局，“跨界”之风正愈吹愈烈。日前，谷歌、微软、亚马逊等科技企业纷纷宣布直接入股核电企业或向核电企业购买电力，不少坐惯冷板凳的核电股迎来久违的春天。

　　意外吗？当你了解了能源对于人工智能发展的重要性，就会明白这股核电风并非一时兴起。

人工智能能耗惊人

　　人工智能的应用给人们的生活带来诸多便利，衣食住行，不一而足。而这需要付出巨大成本，能源消耗就是其一。

　　世界经济论坛网站7月援引多项研究数据介绍，训练像GPT-3这样的大型语言模型，用电量估计接近1300兆瓦时（即130万度电），大约相当于130个美国家庭一年用电量之和（对比美国能源信息署和中国国家统计局公布的数据可知，美国居民的平均用电量是中国居民的5倍多）。训练更先进的GPT-4，其用电量将增加50倍以上。鉴于全球人工智能模型的规模近年来稳步上升，维持人工智能增长所需的算力大约每100天翻一番，其背后的能源需求之大不难想象。多个地区甚至开始出现能源供应紧张的苗头。

　　为何发展人工智能需要这么多能源？这要从数据中心说起。

　　作为支撑人工智能运行的“大本营”，数据中心是存储、处理和运输海量数据的关键基础设施，庞大的服务器群昼夜不停地运转，消耗巨量的能源。一方面，分析、处理数据往往通过使用高性能的图形处理器（GPU）或中央处理器（CPU）实现，所需芯片越来越先进、越来越多，能耗也随之水涨船高；另一方面，服务器全天候运转会产生大量热，如不及时散热，会影响运行安全和稳定，而配备冷却系统意味着用电量增加。

　　国际能源署今年发布的电力年度报告显示，2022年全球数据中心用电量约为460太瓦时，约占全球用电总量的2%。其中，算力和冷却是数据中心最耗能的两个部分。随着人工智能的广泛应用，预计到2026年，全球数据中心用电量将增至650太瓦时至1050太瓦时，相当于瑞典或德国一年的用电量，具体增幅取决于部署规模、节能减排效果等。值得注意的是，美国拥有全球33%的数据中心，2022年用电量达200太瓦时，预计2026年用电量在全美用电量中的占比将达到6%。

　　人工智能的迅猛发展，为什么会进一步加剧能耗问题？一方面，训练模型需要大量数据，仅在深度学习阶段学习识别就需要频繁访问内存、移动数据，属于“能源密集型”。美国麻省理工学院一份报告估计，训练一个人工智能模型所消耗的电力，相当于排放超过284吨二氧化碳。

　　另一方面，模型在实际运用的推理过程中，需要实时处理海量数据，离开电力寸步难行。虽然目前尚难以对人工智能算法的能耗作出精确估算，但美国康奈尔大学一项研究显示，由于人工智能对算力的需求更高，生成式人工智能模型完成某项任务的能耗量可能是特定任务软件的33倍左右。

　　以对ChatGPT提出一个搜索请求为例，美国艾伦人工智能研究所研究人员估算，其耗电量足以让一个灯泡亮20分钟；依据国际能源署的说法，这个操作消耗的电量，约是一次谷歌常规搜索的10倍。考虑到ChatGPT每周活跃用户量约为2.5亿，而这仅为众多聊天机器人平台中的一员，人工智能的能耗可见一斑。

减排下的选择题怎么做

　　美国科技大佬们相信人工智能是技术发展的下一个重要篇章，正投资数十亿美元在全球扩展数据中心。然而，这样的发展难免带来大量电力消耗和二氧化碳排放。面对全球变暖趋势，如何在满足发展需求之外兑现减排承诺，核能作为其中一个选项，相较于受自然因素制约较多的风能、太阳能等新能源，优势正逐渐显现。

　　“技术企业并不喜欢核能，但它们想要无碳、可靠、可预测的能源，全天无休。”麻省理工学院核科学与工程教授雅各布·布翁焦尔诺说。

　　目前，美国大型技术企业对核能的追逐主要分为两个方向。其一是利用现有反应堆获取电力。比如，微软去年与顶级核电站运营商星座能源公司签署协议，由后者向微软位于弗吉尼亚州的数据中心提供核电。美国亚马逊网络服务公司也与宾夕法尼亚州一家核电站合作，让附近一个数据中心自去年开始运营以来就有核电保障。

　　值得注意的是，微软前不久与星座能源公司又达成一项为期20年的协议，计划重启5年前因缺钱停运的三英里岛核电站1号反应堆。

　　三英里岛核电站2号反应堆1979年3月28日发生事故，堆芯部分熔化，释放大量放射性气体，迫使周边众多居民迁离。这起事故对美国核电工业造成沉重打击，事故发生后，该核电站仅余1号机组一座反应堆，经营困难。

　　其二是投资以小型模块化反应堆（SMR）（下称“小堆”）为代表的新一代反应堆。这种反应堆设计集约，尺寸缩小，建设灵活，与传统核电站相比建设速度更快、部署范围更广，还能减少交付意外。不过，这种技术尚在起步阶段，在美国还未完全获得监管部门批准。

　　谷歌公司则在今年10月中旬宣布着手与美国核电企业凯罗斯电力公司签署协议，争取截至2030年让首批小堆实现“快速安全”供电，最终目标是“提供500兆瓦全天候无碳电力”。

　　仅过两天，亚马逊也宣布参与完成与初创企业X能源公司的5亿美元融资项目，以支持超过5000兆瓦的小堆项目。此前，亚马逊已与美国西北能源公司合作，在华盛顿州开发4个小堆机组，旨在到本世纪30年代初将机组增至12个、发电量达960兆瓦。该公司还与美国道明尼能源公司合作开发弗吉尼亚州一个小堆项目，希望能增加至少300兆瓦的电力。

　　微软创始人比尔·盖茨从微软退休后，成立了小堆初创企业泰拉能源公司，迄今已投入数十亿美元。虽困难重重，但盖茨表示对核能在由人工智能驱动的未来中扮演的角色充满信心。

小堆技术是否可靠

　　目前来看，科技巨头们将解决能源需求的希望更多寄托在小堆上，主动投资项目开展研发工作。但小堆技术在美国仍处于起步阶段，今后能否按计划时间表落实，面临诸多挑战。

　　首先是融资问题。建设核电站本就是个庞大的工程，审批卡壳、建设延期、成本超支更是家常便饭。对初创企业而言，资金缺口可能高达数十亿美元，亚马逊、谷歌提供的支持只是杯水车薪。要想说服更多投资者押注这项尚未经证实的新技术，任重而道远。

　　不过，雅各布·布翁焦尔诺认为，与谷歌和亚马逊的合作可能有助于核电初创企业获得“巨大”的推动力，“最大的价值是信任票，当然还会带来一些现金”。

　　同样难以获得的，还有监管部门的支持。美国核能初创企业奥克洛公司说，其难度不亚于发展潜在客户。部分专家警告，无论需求增长有多快，发展核电不应急于求成。切尔诺贝利核事故、福岛核事故的前车之鉴警示人们，对于历史上往往耗时数十年才能完工的核电项目，监管过程必须有条不紊，“一旦冲刺，就可能犯严重错误”。

　　布翁焦尔诺说，小堆技术或许不会“立即可靠”，而科技巨头们缺乏核领域的项目经验，这样的“跨界”可能在发展过程中出现“不愉快的意外”。

　　那么，小堆到底可不可靠？探讨这个问题之前，我们需要简单了解一下核反应堆的工作原理。

　　无论何种核反应堆，能量来源都是铀原子的分裂。同位素铀-235的原子核在外来中子撞击下分裂成两个小原子核，释放出更多中子，这些中子进而撞击更多原子核，如此出现链式反应，同时产生大量热能。为避免反应堆因过热而被烧毁，需要使用冷却剂带走热量，而导出的热量可以使水变成水蒸气，推动汽轮机发电。

　　无论是X能源公司还是凯罗斯电力公司，它们设计的小堆都放弃了传统的核燃料棒，代之以数以千计的燃料卵石，从反应堆顶部加注，用过的从底部排出，其间无需加压，冷却剂循环也无需借助泵。按两家公司的说法，这样的反应堆天然具备更高的安全性。

　　另外，相较于传统反应堆用水进行冷却，小堆使用的则是氦气、氟化物熔盐、液态金属等。从设计上讲，这些冷却剂在热能利用效率和安全性等方面表现更佳。以氟化物熔盐为例，它不会沸腾，高温稳定性好，传热性也不错，还可降低对容器和管道的压力，比水冷却剂更安全。

　　然而，美国忧思科学家联盟核能安全主管、物理学家埃德温·莱曼认为，在某些情况下小堆“可能把核能推向更危险的方向”，“先进不总是更好”。

　　莱曼特别指出，X能源公司和凯罗斯电力公司的燃料卵石设计将依赖于丰度为10%至20%的低浓缩铀，而大多数现有反应堆使用的仅是丰度为3%至5%的低浓缩铀。莱曼今年6月与牵头设计第一颗氢弹的物理学家理查德·加温等人合作，在《科学》杂志刊文警告，用几百公斤丰度为20%的低浓缩铀就可以制造出一枚炸弹，无需进一步浓缩。

　　依据当前分类，20%丰度是低浓缩铀的上限，超过20%就可以归入高浓缩铀范畴。虽然武器级浓缩铀要求丰度在90%以上，但理论上，生产20%丰度和90%丰度浓缩铀之间的技术障碍极少，提纯丰度为20%的浓缩铀距武器级仅有一步。

　　美国核管理委员会前主席艾莉森·麦克法兰在2022年与人合著的一份研究报告中指出，较小的反应堆也可能产生更多核废料，且降低燃料使用效率，中子泄漏风险上升。

　　另外，莱曼和部分专家担心，围绕小堆技术的炒作以及开发者对削减成本的执着可能降低安全标准。例如，一些企业扬言自己开发的反应堆非常安全，甚至不需要钢筋混凝土的安全壳结构。

　　美国投资银行杰富瑞集团分析师保罗·津巴多则认为，有关小堆的讨论是长期的，且其发电成本预计将远高于传统核电厂，甚至超过风力发电场和光伏项目，“有人预测可能超过每兆瓦时100美元，相比之下，现有核电站的成本约为每兆瓦时30美元”。

核能复兴势在必行

　　在美国，核电产量多年来停滞不前。美国能源信息署官员说，自1990年以来，核电占美国发电量的20%左右。部分原因与对核泄漏的担忧有关。

　　然而，美国皮尤研究中心去年一项调查发现，随着全球变暖趋势加剧，大多数美国人现在支持扩大核能，支持者占比已由2020年的43%上升至57%。

　　美国目前大部分电力来自天然气发电。截至2023年，核电发电量略高于燃煤电厂和太阳能发电厂，运行中的商业反应堆有93座，低于1990年112座的峰值。

　　美国政府也乐见核电发展。除了减排考虑外，依据美国能源部的说法，在所有发电方式中，核电经济影响最大，能够创造高收入、长期的就业机会。预计到2050年，美国先进核电产能将达到200吉瓦（1吉瓦=1000兆瓦），员工缺口达37.5万人。

　　至少，眼下硅谷对核能的需求正给多家核电企业和铀矿公司带来光明。继2023年上涨40%之后，研发小堆技术的美国努斯凯尔电力公司股价今年已上涨至少5倍，华尔街预计未来几年该公司收入还将大幅增长。

　　随着铀矿需求不断上升，其价格也一路飙升，目前已接近15年来最高点，顺带提振了铀矿企业新一代如加拿大NexGen Energy公司和加拿大一些矿业公司的股价。

　　美国阿波罗全球管理公司高管罗布·比当古看好技术行业的核电风。他说，技术领域数据中心建设成本高达1万亿美元，所需电量也十分巨大，对于不差钱、爱创新的“亚马逊、元（Meta）、微软和谷歌，它们有能力打持久战”。

　　相比之下，麦克法兰的视角比较独特。依据她的观点，计算机科学的发展速度惊人，也许随着技术创新和管理优化，如改善人工智能模型结构、提高芯片计算效率等，能耗会逐渐降低，“如果我们谈论的是15年后，人工智能还需要这么多能量吗？”