這是2023年7月31日在美國佐治亞州拍攝的沃格特爾核電站3號機組

文/《環球》雜誌記者 王鑫方

編輯/胡艷芬

　　人工智能時代的號角已吹響，全球技術巨鱷們紛紛布局，“跨界”之風正愈吹愈烈。日前，谷歌、微軟、亞馬遜等科技企業紛紛宣布直接入股核電企業或向核電企業購買電力，不少坐慣冷板凳的核電股迎來久違的春天。

　　意外嗎？當你了解了能源對於人工智能發展的重要性，就會明白這股核電風並非一時興起。

人工智能能耗驚人

　　人工智能的應用給人們的生活帶來諸多便利，衣食住行，不一而足。而這需要付出巨大成本，能源消耗就是其一。

　　世界經濟論壇網站7月援引多項研究數據介紹，訓練像GPT-3這樣的大型語言模型，用電量估計接近1300兆瓦時（即130萬度電），大約相當於130個美國家庭一年用電量之和（對比美國能源信息署和中國國家統計局公布的數據可知，美國居民的平均用電量是中國居民的5倍多）。訓練更先進的GPT-4，其用電量將增加50倍以上。鋻於全球人工智能模型的規模近年來穩步上升，維持人工智能增長所需的算力大約每100天翻一番，其背後的能源需求之大不難想象。多個地區甚至開始出現能源供應緊張的苗頭。

　　為何發展人工智能需要這麼多能源？這要從數據中心説起。

　　作為支撐人工智能運行的“大本營”，數據中心是存儲、處理和運輸海量數據的關鍵基礎設施，龐大的服務器群晝夜不停地運轉，消耗巨量的能源。一方面，分析、處理數據往往通過使用高性能的圖形處理器（GPU）或中央處理器（CPU）實現，所需芯片越來越先進、越來越多，能耗也隨之水漲船高；另一方面，服務器全天候運轉會産生大量熱，如不及時散熱，會影響運行安全和穩定，而配備冷卻系統意味着用電量增加。

　　國際能源署今年發布的電力年度報告顯示，2022年全球數據中心用電量約為460太瓦時，約佔全球用電總量的2%。其中，算力和冷卻是數據中心最耗能的兩個部分。隨着人工智能的廣泛應用，預計到2026年，全球數據中心用電量將增至650太瓦時至1050太瓦時，相當於瑞典或德國一年的用電量，具體增幅取決於部署規模、節能減排效果等。值得注意的是，美國擁有全球33%的數據中心，2022年用電量達200太瓦時，預計2026年用電量在全美用電量中的佔比將達到6%。

　　人工智能的迅猛發展，為什麼會進一步加劇能耗問題？一方面，訓練模型需要大量數據，僅在深度學習階段學習識別就需要頻繁訪問內存、移動數據，屬於“能源密集型”。美國麻省理工學院一份報告估計，訓練一個人工智能模型所消耗的電力，相當於排放超過284噸二氧化碳。

　　另一方面，模型在實際運用的推理過程中，需要實時處理海量數據，離開電力寸步難行。雖然目前尚難以對人工智能算法的能耗作出精確估算，但美國康奈爾大學一項研究顯示，由於人工智能對算力的需求更高，生成式人工智能模型完成某項任務的能耗量可能是特定任務軟體的33倍左右。

　　以對ChatGPT提出一個搜索請求為例，美國艾倫人工智能研究所研究人員估算，其耗電量足以讓一個燈泡亮20分鐘；依據國際能源署的説法，這個操作消耗的電量，約是一次谷歌常規搜索的10倍。考慮到ChatGPT每週活躍用戶量約為2.5億，而這僅為眾多聊天機器人&&中的一員，人工智能的能耗可見一斑。

減排下的選擇題怎麼做

　　美國科技大佬們相信人工智能是技術發展的下一個重要篇章，正投資數十億美元在全球擴展數據中心。然而，這樣的發展難免帶來大量電力消耗和二氧化碳排放。面對全球變暖趨勢，如何在滿足發展需求之外兌現減排承諾，核能作為其中一個選項，相較於受自然因素制約較多的風能、太陽能等新能源，優勢正逐漸顯現。

　　“技術企業並不喜歡核能，但它們想要無碳、可靠、可預測的能源，全天無休。”麻省理工學院核科學與工程教授雅各布·布翁焦爾諾説。

　　目前，美國大型技術企業對核能的追逐主要分為兩個方向。其一是利用現有反應堆獲取電力。比如，微軟去年與頂級核電站運營商星座能源公司簽署協議，由後者向微軟位於弗吉尼亞州的數據中心提供核電。美國亞馬遜網絡服務公司也與賓夕法尼亞州一家核電站合作，讓附近一個數據中心自去年開始運營以來就有核電保障。

　　值得注意的是，微軟前不久與星座能源公司又達成一項為期20年的協議，計劃重啟5年前因缺錢停運的三英里島核電站1號反應堆。

　　三英里島核電站2號反應堆1979年3月28日發生事故，堆芯部分熔化，釋放大量放射性氣體，迫使周邊眾多居民遷離。這起事故對美國核電工業造成沉重打擊，事故發生後，該核電站僅余1號機組一座反應堆，經營困難。

　　其二是投資以小型模塊化反應堆（SMR）（下稱“小堆”）為代表的新一代反應堆。這種反應堆設計集約，尺寸縮小，建設靈活，與傳統核電站相比建設速度更快、部署範圍更廣，還能減少交付意外。不過，這種技術尚在起步階段，在美國還未完全獲得監管部門批准。

　　谷歌公司則在今年10月中旬宣布着手與美國核電企業凱羅斯電力公司簽署協議，爭取截至2030年讓首批小堆實現“快速安全”供電，最終目標是“提供500兆瓦全天候無碳電力”。

　　僅過兩天，亞馬遜也宣布參與完成與初創企業X能源公司的5億美元融資項目，以支持超過5000兆瓦的小堆項目。此前，亞馬遜已與美國西北能源公司合作，在華盛頓州開發4個小堆機組，旨在到本世紀30年代初將機組增至12個、發電量達960兆瓦。該公司還與美國道明尼能源公司合作開發弗吉尼亞州一個小堆項目，希望能增加至少300兆瓦的電力。

　　微軟創始人比爾·蓋茨從微軟退休後，成立了小堆初創企業泰拉能源公司，迄今已投入數十億美元。雖困難重重，但蓋茨&&對核能在由人工智能驅動的未來中扮演的角色充滿信心。

小堆技術是否可靠

　　目前來看，科技巨頭們將解決能源需求的希望更多寄託在小堆上，主動投資項目開展研發工作。但小堆技術在美國仍處於起步階段，今後能否按計劃時間表落實，面臨諸多挑戰。

　　首先是融資問題。建設核電站本就是個龐大的工程，審批卡殼、建設延期、成本超支更是家常便飯。對初創企業而言，資金缺口可能高達數十億美元，亞馬遜、谷歌提供的支持只是杯水車薪。要想説服更多投資者押注這項尚未經證實的新技術，任重而道遠。

　　不過，雅各布·布翁焦爾諾認為，與谷歌和亞馬遜的合作可能有助於核電初創企業獲得“巨大”的推動力，“最大的價值是信任票，當然還會帶來一些現金”。

　　同樣難以獲得的，還有監管部門的支持。美國核能初創企業奧克洛公司説，其難度不亞於發展潛在客戶。部分專家警告，無論需求增長有多快，發展核電不應急於求成。切爾諾貝利核事故、福島核事故的前車之鑒警示人們，對於歷史上往往耗時數十年才能完工的核電項目，監管過程必須有條不紊，“一旦衝刺，就可能犯嚴重錯誤”。

　　布翁焦爾諾説，小堆技術或許不會“立即可靠”，而科技巨頭們缺乏核領域的項目經驗，這樣的“跨界”可能在發展過程中出現“不愉快的意外”。

　　那麼，小堆到底可不可靠？探討這個問題之前，我們需要簡單了解一下核反應堆的工作原理。

　　無論何種核反應堆，能量來源都是鈾原子的分裂。同位素鈾-235的原子核在外來中子撞擊下分裂成兩個小原子核，釋放出更多中子，這些中子進而撞擊更多原子核，如此出現鏈式反應，同時産生大量熱能。為避免反應堆因過熱而被燒燬，需要使用冷卻劑帶走熱量，而導出的熱量可以使水變成水蒸氣，推動汽輪機發電。

　　無論是X能源公司還是凱羅斯電力公司，它們設計的小堆都放棄了傳統的核燃料棒，代之以數以千計的燃料卵石，從反應堆頂部加注，用過的從底部排出，其間無需加壓，冷卻劑循環也無需借助泵。按兩家公司的説法，這樣的反應堆天然具備更高的安全性。

　　另外，相較於傳統反應堆用水進行冷卻，小堆使用的則是氦氣、氟化物熔鹽、液態金屬等。從設計上講，這些冷卻劑在熱能利用效率和安全性等方面表現更佳。以氟化物熔鹽為例，它不會沸騰，高溫穩定性好，傳熱性也不錯，還可降低對容器和管道的壓力，比水冷卻劑更安全。

　　然而，美國憂思科學家聯盟核能安全主管、物理學家埃德溫·萊曼認為，在某些情況下小堆“可能把核能推向更危險的方向”，“先進不總是更好”。

　　萊曼特別指出，X能源公司和凱羅斯電力公司的燃料卵石設計將依賴於豐度為10%至20%的低濃縮鈾，而大多數現有反應堆使用的僅是豐度為3%至5%的低濃縮鈾。萊曼今年6月與牽頭設計第一顆氫彈的物理學家理查德·加溫等人合作，在《科學》雜誌刊文警告，用幾百公斤豐度為20%的低濃縮鈾就可以製造出一枚炸彈，無需進一步濃縮。

　　依據當前分類，20%豐度是低濃縮鈾的上限，超過20%就可以歸入高濃縮鈾範疇。雖然武器級濃縮鈾要求豐度在90%以上，但理論上，生産20%豐度和90%豐度濃縮鈾之間的技術障礙極少，提純豐度為20%的濃縮鈾距武器級僅有一步。

　　美國核管理委員會前主席艾莉森·麥克法蘭在2022年與人合著的一份研究報告中指出，較小的反應堆也可能産生更多核廢料，且降低燃料使用效率，中子泄漏風險上升。

　　另外，萊曼和部分專家擔心，圍繞小堆技術的炒作以及開發者對削減成本的執着可能降低安全標準。例如，一些企業揚言自己開發的反應堆非常安全，甚至不需要鋼筋混凝土的安全殼結構。

　　美國投資銀行傑富瑞集團分析師保羅·津巴多則認為，有關小堆的討論是長期的，且其發電成本預計將遠高於傳統核電廠，甚至超過風力發電場和光伏項目，“有人預測可能超過每兆瓦時100美元，相比之下，現有核電站的成本約為每兆瓦時30美元”。

核能復興勢在必行

　　在美國，核電産量多年來停滯不前。美國能源信息署官員説，自1990年以來，核電佔美國發電量的20%左右。部分原因與對核泄漏的擔憂有關。

　　然而，美國皮尤研究中心去年一項調查發現，隨着全球變暖趨勢加劇，大多數美國人現在支持擴大核能，支持者佔比已由2020年的43%上升至57%。

　　美國目前大部分電力來自天然氣發電。截至2023年，核電發電量略高於燃煤電廠和太陽能發電廠，運行中的商業反應堆有93座，低於1990年112座的峰值。

　　美國政府也樂見核電發展。除了減排考慮外，依據美國能源部的説法，在所有發電方式中，核電經濟影響最大，能夠創造高收入、長期的就業機會。預計到2050年，美國先進核電産能將達到200吉瓦（1吉瓦=1000兆瓦），員工缺口達37.5萬人。

　　至少，眼下硅谷對核能的需求正給多家核電企業和鈾礦公司帶來光明。繼2023年上漲40%之後，研發小堆技術的美國努斯凱爾電力公司股價今年已上漲至少5倍，華爾街預計未來幾年該公司收入還將大幅增長。

　　隨着鈾礦需求不斷上升，其價格也一路飆升，目前已接近15年來最高點，順帶提振了鈾礦企業新一代如加拿大NexGen Energy公司和加拿大一些礦業公司的股價。

　　美國阿波羅全球管理公司高管羅布·比當古看好技術行業的核電風。他説，技術領域數據中心建設成本高達1萬億美元，所需電量也十分巨大，對於不差錢、愛創新的“亞馬遜、元（Meta）、微軟和谷歌，它們有能力打持久戰”。

　　相比之下，麥克法蘭的視角比較獨特。依據她的觀點，計算機科學的發展速度驚人，也許隨着技術創新和管理優化，如改善人工智能模型結構、提高芯片計算效率等，能耗會逐漸降低，“如果我們談論的是15年後，人工智能還需要這麼多能量嗎？”