随着全球人工智能、云计算、物联网、区块链等新一代信息技术的快速发展,作为技术载体的数据中心用能需求将大幅增加。国际能源署(IEA)在《2025电力报告》中称,未来三年,预计全球电力消耗量将以大约4%的速度逐年增长,来自工业生产、数据中心、空调需求、电气化等领域的电力需求将使得全球电力消耗量大幅增长。

数据中心包含以服务器为代表的IT算力设备,以及为了保障IT设备正常运行的基础支撑设施,如供配电系统、制冷系统等。

2022年,全球数据中心、加密货币和人工智能行业的耗电量约为4600亿千瓦时,大约占全球总电力需求的2%。到2026年,全球数据中心、加密货币和人工智能行业的耗电量将介于6200亿-10500亿千瓦时之间,全球数据中心的电力需求将翻一番。

数据中心快速、集中的负荷增长将给区域电力系统的稳定性和可靠性带来挑战。截至2025年2月,全球大约有8900个数据中心,其中约37%位于美国,16%位于欧洲,近10%位于中国。

据美国劳伦斯伯克利国家实验室2024年12月发布的《2024美国数据中心能源使用情况》报告,2023年数据中心约消耗了美国总电力的4.4%,预计到2028年将消耗美国总电力的6.7%-12%。数据中心总用电量从2014年的580亿千瓦时攀升至2023年的1760亿千瓦时,预计到2028年将增加至3250亿-5800亿千瓦时。

其中,弗吉尼亚州、德克萨斯州、加利福尼亚州是美国主要数据中心集聚区。据预测,在弗吉尼亚州北部的“Data Center Alley”——世界上最大的数据中心集中地,电力需求到2030年可能会增长近4倍,从目前的约400万千瓦增至1500万千瓦,这大约相当于弗吉尼亚州电力总负荷的一半。叠加传统燃煤发电机组退役、电网线路老化和建设不及预期、电动汽车等其他新型负荷增长等因素,高耗能、24小时连续运行的数据中心需重构用能方案。

全球碳中和背景下数据中心需要加速绿色低碳化发展。数据中心全生命周期的碳排放主要在运营阶段,运营阶段的碳排放占比约为90%。因此,为降低数据中心碳排放,一是通过改进制冷方式、优化机架设计、降低芯片能耗等方式提高能效,二是通过使用清洁电力,满足IT基础设施(平均能耗占比约60%)以及相关的散热冷却系统(平均能耗占比约40%)的高电力需求。

作为一种清洁、低碳、稳定、可靠、高能量密度的电源类型,核电被越来越多地视为支持数据中心可持续发展的潜在关键能源,有望在未来10-20年支撑数据中心不断增长的用能需求,助力构建更安全、低碳、高效、经济性好的数据中心供能体系。

核电与数据中心耦合的潜力

核电具有低碳排放、高可靠性,可满足数据中心对全天候低碳电力的需求。核电作为一种设备利用小时数高的电源类型,能够提供全天候不间断电力,有效满足数据中心99.999%的供电可靠性需求。

由于风电、光伏发电具有随机性、间歇性和波动性,水电项目面临建设周期长、审批流程繁琐、环境评估成本高等挑战,数据中心难以仅靠可再生能源电力供电。数据中心新增用电需求如果需要新建更多的化石能源发电量来匹配满足,无法完成碳减排目标。

核电不受气候条件限制,可确保算力设施在AI训练、云计算、区块链验证等高负荷任务运行过程中的电力连续供应。除此之外,根据中国生态环境部等三部门发布的2023全国发电碳足迹因子,核电全生命周期碳排放碳足迹因子是所有发电类型中最低的,每发一度电的二氧化碳排放仅为6.5g,远低于水电、光伏发电。

核电正成为实现大型科技公司实现“零碳数据中心”目标的重要工具。

2024年9月,微软与Constellation Energy签署了价值16亿美元的购电协议。根据协议规定,Constellation Energy将会重启三哩岛核电站1号机组,在未来20年时间里为微软位于大西洋中部地区的数据中心提供清洁核电。

美国互联网科技公司Meta于2024年12月发布“征求意见书”,寻找“从项目的开始到结束都参与其中的各方”,即公司寻求能与核电项目整个生命周期匹配的实体企业建立伙伴关系,包括选址、许可、设计、建设和运营,并将考虑开发小型模块化反应堆或大型核电反应堆,表示计划在2030年初新增100万-400万千瓦的核电装机容量,以支持数据中心及其周边社区增长的用电需求,来帮助其实现人工智能和可持续发展目标。

2024年10月,谷歌宣布将从小型模块化反应堆开发商Kairos Power购买电力。根据协议,Kairos Power将为谷歌提供约50万千瓦的核电,计划建造7座小型模块化反应堆,为其数据中心提供电力支持。这些新型核电站预计将于2030年左右投入运营。Kairos Power正在开发一种新型核电技术,即使用氟化锂和氟化铍的熔盐反应堆代替传统的水冷堆。熔盐堆具有固有安全特性,高温稳定性好,能够在较低压力下运行,比传统反应堆更安全。

小型模块化反应堆部署灵活、建设周期较短。小型模块化反应堆通常指装机容量小于30万千瓦的反应堆,简称小型堆。小型模块化反应堆采用模块化设计、设备系统工厂预制和现场模块化组装。

小型堆可直接建设在数据中心附近,减少远距离输电损耗,提高整体能源利用效率。相比于传统大型核电站的建设周期较长且投资规模巨大,小型堆具备更强的部署灵活性,使数据中心摆脱传统电网依赖,提高能源自主性,适用于国家级超级计算中心及其他对能源安全要求高的企业。部分小型堆可实现负荷跟踪调节,满足新增的有限电力负荷需求,适应数据中心的动态负荷,快速响应算力需求。

2024年3月,亚马逊网络服务公司(Amazon Web Services, AWS)向美国电力公司Talen Energy支付了6.5亿美元,购买了毗邻宾夕法尼亚州萨斯奎汉纳核电站的一个数据中心园区,确保核电站向数据中心直接供电,并签署了向Talen公司购买核电的长期协议,使得亚马逊数据中心能够获得稳定且相对低廉的电力供应,以支持其云计算和数据处理业务。

小型堆的余热可用于数据中心液冷技术,进一步降低能耗。瑞士核能初创公司Deep Atomic发布了专门用于为数据中心供电的MK 60轻水反应堆,利用余热进行冷却,提升了整体能源效率。每个模块能够提供6万千瓦电力输出和6万千瓦制冷能力,解决了数据中心面临的电力供应和热量排放两大挑战。

与大型堆相比,小型堆不但可以维持重要的算力基础设施用电需求,还可以进行模块化部署,从而降低了初始投资成本支出和项目风险,且无论天气状况或电网不稳定,都可以全天候供电。例如MK 60清水反应堆,在部署多个模块后,装机可从6万千瓦扩展到100万千瓦以上,以满足不断增长的能源需求。

由于小型堆的良好前景,全球越来越多政府部门和企业开始投资并建设小堆电站。根据伍德麦肯兹统计,小型堆项目计划在2024年一季度达到220万千瓦,比2021年增长了65%。

2024年10月,美国能源部开始接受资助申请,以推动美国首次部署第三代核电技术和小型堆。在招标中,第三代和小型堆被定义为使用轻水作为冷却剂和低浓铀燃料的核反应堆,单堆装机容量为5-35万千瓦,与目前的大型核电站设计相比,其安全性、保障性和环境效益相同或更高。中国核电建设的“玲龙一号”是全球首个开工的标准化的陆上商用模块化小型堆,是全球首个三代轻水小堆,预计将于2026年建成。

核电与数据中心耦合的挑战

大型核电站建设周期长,前期投资大,短期内难以适应数据中心的快速扩张需求。大多数小型堆项目仍处于概念设计和技术验证阶段,尚未实现商业化部署,技术成熟度仍然存在不确定性和额外的技术风险,长期运行的可靠性需进一步验证,建设和运营成本仍然存在高度不确定性。

小型堆设计方NuScale Power就因明显的成本超支和建设进度延迟,取消了该项目建设计划。

如果风电、光伏、储能成本持续下降,可能影响核电在数据中心行业的竞争力。据国际能源署分析,在获得充分支持的情况下,到2040年,全球小型堆装机容量将达到8000万千瓦,占核电总装机容量的10%。但是,小型堆技术的顺利开发和应用速度取决于核电能否在2040年前将其成本降低至与大型水电、海上风电项目相当的水平,即约为60-80美元/兆瓦时。

核电监管审批流程严格、漫长,标准不完善,核电项目建设进度不及预期。

例如,在AWS与Talen Energy签署购电协议后,美国区域输电组织PJM就要求联邦能源管理委员会(FERC)同意PJM、PPL Electric Utilities和Talen Energy之间修订互连服务协议,允许把Talen Energy的核电装机容量从30万千瓦增加到48万千瓦,无需进行任何传输升级。

2024年11月,FERC拒绝了该协议,原因是其认为该协议可能会转移目前供应区域电网中的大量电力,从而打破原有的电力供应平衡,影响其他地区和用户的电力供应稳定性。此外,协议中对于输电和配电升级费用的分担方式不明确,虽然核电直接供应数据中心,但实际上核电站无法独立运行,需要PJM等区域电网的支持,数据中心消耗的任何电力都间接属于电网的一部分。因此,这可能给当地输电基础设施造成压力,也给电力市场和消费者带来潜在经济风险和用电供应风险。

除此之外,Meta在核电站附近建造一座新人工智能计算中心的计划,由于环境问题暂停,主要原因是在对施工场地进行环境评估时,调查人员偶然发现一种濒临灭绝的蜜蜂,监管机构叫停了该项目。

核电与数据中心耦合,还应重视高丰度低浓缩铀燃料的安全供应。

铀是核能发电的主要原料。传统三代核电用U-235丰度为3%-5%的低浓缩铀燃料,约需要每一年到一年半大修换料一次,大修需要停堆一个月。

但数据中心需要不间断运行,无法适应现有核电站的停堆换料周期,使得核电项目需采用高丰度低浓铀(HALEU)作为小型堆的燃料,降低换料频率,减少停电风险。

例如,美国核反应堆开发商OKLO的Aurora钠冷快堆,使用U-235含量为19.75%的高丰度燃料,可以实现最高20年的超长换料周期。

然而,世界铀资源、产能分布与需求不平衡,以及越来越多的发展中国家转向核能,先进反应堆对HALEU的需求不断增加,长期、安全、稳定的铀资源供应正在成为一些国家关注的议题。

2024年1月,英国启动了总投资达3亿英镑的HALEU计划,目标到2031年在英国建立HALEU产能。英国能源安全和净零排放部表示,这笔投资将助力保障2050年2400万千瓦核电装机容量的燃料供应。

随后,英国政府宣布在HALEU计划下的第一笔投资,即向欧洲铀浓缩公司(Urenco)提供1.96亿英镑,帮助该公司在2031年建成首座高丰度低浓铀生产设施。

美国能源部也于去年宣布,为满足新一轮先进反应堆对高浓铀的需求,已经同四家企业初步拟定了合同。

整体看,核电在满足未来数据中心电力需求方面具有显著优势,特别是其稳定、低碳和高能量密度的特性,使其成为数据中心减少碳排放的重要选择。然而,核电目前仍面临成本高、技术不成熟、监管和天然铀供应安全等挑战,各国政府、企业需要密切合作,以支持数据中心等未来用电量持续增长的行业。