如何為數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)核能

人工智能技術(shù)的發(fā)展推動了能源需求的增長。數(shù)據(jù)中心尋求滿足新的電力需求以實現(xiàn)能源可持續(xù)性。氫能、太陽能和風(fēng)能是數(shù)據(jù)中心的可再生能源，此外還有另一種能源：核能。

數(shù)據(jù)中心面臨著減少對環(huán)境影響的壓力，因此需要清潔、充足且強大的可再生能源。讓我們探討核電的優(yōu)勢、可行性和考慮因素，例如小型模塊化反應(yīng)堆(SMR)。

數(shù)據(jù)中心如何利用核能？

普通數(shù)據(jù)中心的耗電量約為32兆瓦，而AI數(shù)據(jù)中心的耗電量則高達(dá)80兆瓦。隨著AI的快速發(fā)展，這很可能成為常態(tài)。

可再生能源是支持這一消耗的必需品。核裂變和核聚變可以產(chǎn)生大量能源，且碳足跡低。核反應(yīng)堆全天候運行，不像風(fēng)能和太陽能那樣依賴天氣。

根據(jù)美國能源部(DOE)的數(shù)據(jù)，核能已用于支持電網(wǎng)和國防活動60多年。但對于數(shù)據(jù)中心供電而言，情況并非如此。這是因為核反應(yīng)堆是具有嚴(yán)格監(jiān)管的大型項目。這些限制使得在數(shù)據(jù)中心附近大規(guī)模建造核反應(yīng)堆變得困難。然而，SMR的發(fā)明可能使這成為可能。

使用小型模塊化反應(yīng)堆

SMR有望在未來數(shù)據(jù)中心內(nèi)使用核能。這些反應(yīng)堆是典型核反應(yīng)堆的較小、更緊湊的版本。然而，根據(jù)國家電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，SMR產(chǎn)生的能量約為其五分之一。SMR的優(yōu)勢包括其緊湊性，這使得它們易于制造和運輸，且成本低廉。

SMR通常為潛艇和航空母艦提供燃料，為它們提供長達(dá)20年的不間斷電力。如果此類SMR能夠安全地大規(guī)模生產(chǎn)，它們可以為數(shù)據(jù)中心提供專用、穩(wěn)定和可再生的電源，且維護(hù)要求極低。

支持SMR開發(fā)的努力正在接受美國核管理委員會(NRC)的許可審查，并可能在2020年代末至2030年代初部署。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要解決技術(shù)發(fā)展、許可和監(jiān)管風(fēng)險。實驗工作目前正在進(jìn)行測試，如果成功，可能會加速SMR在國內(nèi)和國際市場的供應(yīng)。SMR可能在十年內(nèi)可用于數(shù)據(jù)中心現(xiàn)場集成。

核電對數(shù)據(jù)中心的好處

碳排放量低

根據(jù)報告顯示，每生產(chǎn)一千兆瓦時電力，煤炭會產(chǎn)生970噸溫室氣體排放，是核能的160倍。石油比核能多排放714噸，而天然氣比核能多排放434噸。平均而言，太陽能和風(fēng)能也比核能多排放47噸和5噸。利用核能可以加速全球數(shù)據(jù)中心的脫碳。

碳足跡極小

核設(shè)施占用的土地比其他替代能源少得多，而SMR占用的土地更少。雖然在制造核反應(yīng)堆的過程中可能會產(chǎn)生一些碳，但與其他電力來源相比，總體碳足跡仍然是最低的。

產(chǎn)生清潔、無污染的能源

能源生產(chǎn)和使用是人為的空氣污染物排放源。這些污染物包括顆粒物、硫氧化物和氮氧化物，它們進(jìn)入大氣并惡化空氣質(zhì)量。核能不排放任何空氣污染物，這意味著數(shù)據(jù)中心可以幫助保持空氣清潔，不受有害污染物的影響。

提供密集、穩(wěn)定、可靠的電力

核能具有高能量容量，即發(fā)電機在最大功率下產(chǎn)生的電量。它還具有高能量密度，因此核反應(yīng)堆可以用很少的燃料產(chǎn)生大量能量。反應(yīng)堆也不依賴天氣來正常運行。這些高水平的容量、效率和一致性可帶來穩(wěn)定、可靠的電力，這正是數(shù)據(jù)中心確保最大正常運行時間所需要的。

數(shù)據(jù)中心核電面臨的挑戰(zhàn)

可用性低

目前可用的核反應(yīng)堆很少。部分原因是建造核電站需要大量資本投入、開發(fā)時間長、公眾對核安全的接受度低以及監(jiān)管嚴(yán)格。隨著核技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)據(jù)中心的限制應(yīng)該會降低。

難以處理或回收廢物

雖然核反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢物不多，但使用過的燃料維護(hù)起來很危險，而且很難傾倒?；厥蘸驮倮煤四艿墓ぞ呷蕴幱陂_發(fā)和測試階段。雖然與大型設(shè)施相比，SMR所需的維護(hù)和專業(yè)知識少得多，但其基礎(chǔ)設(shè)施不適用于數(shù)據(jù)中心。

前期成本昂貴

為核設(shè)施建設(shè)籌措資金并非易事，因此只有最大的數(shù)據(jù)中心才會考慮使用核能。除了建設(shè)成本外，由于操作核反應(yīng)堆需要嚴(yán)格的規(guī)程和高水平的專業(yè)知識，因此運營成本也很高。

受到嚴(yán)格監(jiān)管環(huán)境的約束

安全和保障至關(guān)重要，因此使用核能需要明確而嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)中心必須遵守這些政策和程序。政府機構(gòu)正在國家和國際層面共同合作制定法規(guī)。

可持續(xù)能源所需的土地數(shù)量

一座1000兆瓦的核電站需要一平方英里的土地才能運行。風(fēng)力發(fā)電場和太陽能發(fā)電廠需要360倍的土地和75倍的空間才能生產(chǎn)出同樣多的能源。

數(shù)據(jù)中心核電現(xiàn)狀

利用核能為數(shù)據(jù)中心供電仍處于研發(fā)階段。不過，亞馬遜、谷歌和微軟等科技巨頭已經(jīng)開始探索這一領(lǐng)域。

2024年，亞馬遜從TalenEnergy購買了一個由核電站供電的數(shù)據(jù)中心園區(qū)。該協(xié)議補充了其為全球AWS數(shù)據(jù)中心提供無碳能源的努力。

公共服務(wù)企業(yè)集團(tuán)(PublicServiceEnterpriseGroup)正在探索從其核電站直接向數(shù)據(jù)中心銷售電力的可能性，Vistra正在與數(shù)據(jù)中心運營商進(jìn)行談判，而Constellation可能會在現(xiàn)有核電站建造先進(jìn)的反應(yīng)堆，為數(shù)據(jù)中心提供能源。谷歌還簽署了一項協(xié)議，與紐柯公司合作，幫助將先進(jìn)的核項目投入運營。

微軟有新的職位空缺，與制定先進(jìn)核能領(lǐng)域的可行戰(zhàn)略有關(guān)。微軟正在尋找能夠啟動SMR為其數(shù)據(jù)中心供電計劃的人員。

此外，自2014年以來，美國能源部已投資超過6億美元，用于支持NuScale的SMR設(shè)計、制造工廠和其他國內(nèi)SMR概念的設(shè)計、許可和選址。NRC于2023年認(rèn)證了NuScale的SMR設(shè)計，預(yù)計第一個模塊將于2029年投入運營。

確保安全需要什么

切爾諾貝利、福島和三哩島等核反應(yīng)堆事故都給人們留下了對核能的負(fù)面印象。相比之下，現(xiàn)代先進(jìn)核技術(shù)的設(shè)計更為安全。

國際原子能機構(gòu)（IAEA）安全標(biāo)準(zhǔn)的制定符合世界各國核安全領(lǐng)導(dǎo)人的國際共識。該標(biāo)準(zhǔn)涵蓋核電站運行和監(jiān)管活動安全的各個方面。

最新一代反應(yīng)堆較前幾代已有了逐步改進(jìn)，目標(biāo)是防止從熔毀、事故到人為錯誤等各種情況。SMR正在接受深入研究，并且通常被認(rèn)為是安全的。SMR依靠被動系統(tǒng)在發(fā)生事故或設(shè)備故障時自動關(guān)閉。所有反應(yīng)堆設(shè)計在獲得許可之前都必須經(jīng)過廣泛的審查、批準(zhǔn)和測試。

SMR幾乎不需要數(shù)據(jù)中心運營商的干預(yù)。但是，設(shè)備維護(hù)和核廢料處理是必要的，必須由經(jīng)過認(rèn)證的專業(yè)人員處理。遵守嚴(yán)格的法規(guī)和安全協(xié)議可能會很困難，但為了安全起見，這是必要的。

核能有望成為數(shù)據(jù)中心清潔的可再生能源。然而，目前還無法廣泛應(yīng)用。據(jù)國際原子能機構(gòu)稱，科學(xué)家可以定期在實驗中復(fù)制核聚變所需的許多條件；然而，我們?nèi)狈U(kuò)大這一過程用于能源生產(chǎn)所需的約束特性。雖然目前還不可行，但科學(xué)家和工程師們正在努力使廣泛應(yīng)用的核聚變反應(yīng)堆成為現(xiàn)實。

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