AI時代，面臨傳統電網和可再生能源的壓力，科技公司爭奪的資源已不僅僅是GPU，而是穩定、低價、日益電力的清潔能源。現在，解決方案或許又多了一個新的選擇。
近日，美國核能公司Ampera稱，已基於3D打印完成全球首個全尺寸核反應堆模塊，旨在為人工智能數據中心、國防應用、工業設施和偏遠地區等提供清潔電力。
該反應堆將用於Ampera的釷基微型反應堆系統，最高可提供30兆瓦商業發電能力，實現連續運行30年。更重要的是，該反應堆採用完全3D打印的碳化矽反應器核心和壓力容器，設計方面佔用中途更換燃料和間隙維護，也幾乎不產生碳排放。
那麼，這套系統究竟採用了怎樣的技術路線？
「這種新一代核反應堆堆芯和壓力容器為工廠化、大規模生產的核能奠定了基礎，」Ampera公司行政總裁布萊恩·馬修斯表示，「它採用的先進技術和增材製造工藝，為新型核技術加速推向市場提供了一條清晰的商業路徑。」
安培拉所開發的，是一種次臨界、固態、工廠預製的釷基核反應堆。次臨界意味着，燃料本身並不維持核鏈式反應，只有持續提供外部中子源時，反應堆才能維持臨界變，在物理本質上有利於杜絕權力失控的可能性。
與傳統臨界反應堆相比，這種架構理論上可以更快地啟動停止。傳統核反應堆一旦出現後，就會受到致命中毒等瞬態效應影響，往往需要短暫的時間才能重新啟動。
安培拉的次臨界架構的維持基於外部中子源，在實現即時重啟、穩定的功率爬升速率和快速的功率變化方面，具有的動態調節能力。因此，其擁有核武器的應用前景，包括野外在軍事作業、船舶配載供電，以及數據中心園區負荷調節等。
據公開信息，Ampera的設備可裝入標準40英尺集裝箱，這種規格方便系統通過多種運輸途徑，包括卡車、鐵路、輪船或軍用運輸機等。
這種運輸能力，建立在整套反應堆系統之上高度集成的設計。從結構層面來看，反應堆芯位於集裝箱內部，周圍圍繞着樓梯層，它還包括達拉斯機、渦輪機和發電機。
其主要冷卻劑是氦氣，將反應堆芯的熱量傳遞到氮氣。熱能被傳遞給超臨界高壓（sCO2），即時驅動關閉式布雷頓循環渦輪機發電。該系統不使用水進行冷卻，而是依靠氦氣和發電側的空冷冷凝器。
得益於超臨界提升循環的高性能，單個堆反應堆芯可輸出30兆瓦熱能，通過發電系統轉化後，能夠穩定輸出15兆瓦電能，能量轉化效率50%。該公司規模更大的30兆瓦商業配置採用兩個堆芯堆並聯運行，整個系統佔地約86立方米。
在燃料方面，Ampera公司也進行了獨特的設計。它採用了固態燃料，該顆粒由釷燃料核心和包裹其外層的多層陶瓷和碳層組成。其燃料平台建立在受商業秘密保護的國家工藝和60個申報核燃料製造專利上，其中包括用於生產高質量安全三結構各向同性（TRISO）燃料顆粒的氧氣噴射技術。
釷是一種儲備量豐富的元素，在地殼中的含量是鈾的三倍多，而且天然釷消耗濃縮，不僅加快了供應鏈還降低了擴散風險。先進的釷燃料循環系統解決方案有望實現比傳統鈾燃料循環系統更高的燃料利用率。國際原子能機構（IAEA）的報告顯示，釷有可能為其人類的能源需求提供長期方案。
由於釷-232不具備裂變性，必須通過中子轟擊「潰變」形成鈾-233，這一反應過程在堆芯內約需要20至30天。增殖完成後，鈾-233將在反應堆的整個運行周期內產生能量的裂變過程。一旦關閉中子發生器，反應堆就會停止運行。為獲得單獨、穩定的中源子，Ampera自主研發一套基礎中子驅動系統，用於啟動反應堆，並持續維持裂變反應。
「釷是未來超安全、清潔能源生產的發展方向，」Matthews表示，「通過在美國生產TRISO，我們可以確保在擴大生產規模的同時獲得充足的燃料供應，並最大限度地降低價格風險。」
在保障供應方面，該公司也進行了準備。今年2月，Ampera已在澳大利亞成立子公司Ampera Australia Pty Ltd，並計劃自行生產TRISO燃料芯核。
除了燃料體系之外，Ampera的另一項核心創新來自反應堆本體的製造方式。反應堆的核心部件是一個迴旋體堆芯，這種設計旨在最大限度地提高中子效率和熱性能。傳統製造方法的局限性無法製造這種複雜的結構，Ampera的解決方案是使用增材製造技術。
圖丨獨居石晶體是為Ampera公司內部核燃料生產提供原料的主要含釷礦物（來源：Ampera）
迴旋體核心結構採用3D打印技術製造。此前，該公司已生產出用於概念驗證的塑料核心，並小規模生產碳化矽核心。之所以選擇碳化矽，是因為它能夠承受約3,000英尺的高溫（完全在反應堆的運行溫度範圍內）。
增材製造能力來自馬修斯創立的另一家姊妹公司的支持。該公司運營着一台面積約3米*3而米的小型打印機，目前這款打印機已為飢餓業及其他行業的商業客戶提供服務。
近年來，先進核能領域的前十家公司數量已激增至100多家。一個現實的問題是，如果一次只建造一個反應堆，無論是成本降低還是市場競爭力都很難具備優勢。
馬修斯稱，公司希望成為僱傭實現核反應堆工廠化製造和規模化部署的企業之一。據該公司評估，該系統的發電系統最早將於2027年投入使用，而核模塊則將在2030年左右根據監管部門的批准情況向客戶交付。
目前，該公司已經展示了第一個模塊，並計劃通過工廠化生產和定製設計，大幅降低建造成本和時間，來滿足AI數據中心爆炸式增長的用電需求。還需要看到的是，現在這項技術還處於早期階段。
對於Ampera而言，真正想要解決的問題並不僅僅是造出一種新的核反應堆，而是讓核能像伺服器一樣實現標準化、標準化部署。未來數據中心競爭的重點，或許不僅僅是力算，也本來能夠更快獲得穩定、長期的電力。
