The "ultimate solution" for powering AI? A detailed explanation of SMR (Small Modular Reactor technology)

本文作者：董靜

來源：硬 AI

在全球電力需求加速增長的背景下，小型模塊化核反應堆（SMR）正成為滿足數據中心、工業製造和電氣化需求的關鍵解決方案。

10 月 18 日，摩根大通在最新研報中認為，這項技術通過設計簡化、標準化和工廠製造，試圖突破傳統大型核電站的經濟和建設瓶頸，為清潔基荷電力供應開闢新路徑。

摩根大通稱，全球目前有 99 座 SMR 處於積極開發階段，但僅有 7 座在建或運營。氣冷和水冷 SMR 概念在近期部署中處於領先地位。國際能源署（IEA）預計，若部署順利，到 2040 年 SMR 可佔全球核電裝機的 10%，美國將貢獻其中 20% 的增長。

研報指出，特朗普政府的行政命令為 SMR 發展注入強勁動力。新政策將民用核能列為國家和經濟安全優先事項，要求聯邦機構加速先進反應堆部署，簡化監管審查，並開放政府燃料儲備。監管改革將許可審查時間壓縮至 18 個月，目標在 2026 年 7 月前實現三座先進反應堆投運，同時擴大投資和生產税收抵免，顯著改善項目經濟性並降低許可風險。

然而，摩根大通認為，SMR 的成功部署仍依賴政府支持、技術迭代、供應鏈建設和監管許可等多重因素。接下來，我們通過摩根大通研報，詳細解析下可能成為 AI 電力供應終極方案的 SMR 技術。

SMR 技術核心優勢與市場定位

研報稱，SMR 通過五大核心特徵重新定義核能應用場景：

小型化設計使其可靈活部署在多種場所；模塊化建造支持現場組裝以降低成本；可實現離網和併網雙重安裝模式；燃料循環週期長達 30 年；內置被動冷卻機制以簡化設計並降低成本。

據核能署（NEA）數據，SMR 開發商總部主要集中在美國、加拿大和歐洲地區。按反應堆概念分類，近期市場以水冷反應堆為主導，佔據最大份額，其次是氣冷和熔鹽冷卻設計。從場地所有者角度看，公用事業公司、工業用户和政府機構是主要客户羣體，數據中心需求正快速增長。

SMR 的獨特價值在於滿足多元化能源需求。高温氣冷堆可提供 750 攝氏度以上的工藝熱，適用於氫氣生產、區域供暖和工業應用等傳統大型反應堆難以覆蓋的市場。快中子譜 SMR 設計雖然許可進展有限，但在燃料效率和成本控制方面具有顯著技術優勢，涵蓋氣冷、熱管、金屬冷卻和熔鹽冷卻等多種概念。

主要技術路線與開發進展

SMR 技術按冷卻劑類型分為五大概念：水冷、熔鹽冷卻、氣冷、熱管冷卻和金屬冷卻。水冷反應堆代表大多數近期概念，其中輕水堆（LWR）最接近近期部署。熱管和金屬冷卻反應堆代表更前沿的技術發展方向。

輕水反應堆採用成熟技術，包括沸水堆（BWR）和壓水堆（PWR）兩種類型。NuScale 的 50 兆瓦和 77 兆瓦壓水堆設計是唯一獲得美國核管理委員會（NRC）標準設計批准的 SMR，在監管進程中處於領先地位。GE 日立核能的 BWRX-300 沸水堆已獲田納西河谷管理局（TVA）提交建造許可申請，成為美國首個提交 SMR 建造許可的公用事業公司。

高温氣冷堆（HTGR）使用氦氣作為冷卻劑，陶瓷塗層燃料可產生約 750 攝氏度的高温。X-Energy 的 Xe-100（80 兆瓦）、Ultra Safe Nuclear 的 MMR（5 兆瓦）和 Radiant 的 1 兆瓦設計代表該領域主要開發商。這類反應堆在工業應用中表現出色，但受限於高丰度低濃鈾（HALEU）燃料供應短缺。

熔鹽反應堆（MSR）使用氟化鹽混合物作為燃料和冷卻劑，可在高温下運行並實現高效傳熱。Kairos Power 的 140 兆瓦 FHR、Natura Resources 的 MSR-100、Terrestrial Energy 的 195 兆瓦整體熔鹽堆和 TerraPower 的 345 兆瓦熱功率反應堆代表該技術方向。Kairos 已獲得 NRC 建造許可，成為美國首家獲得第四代 SMR 建造許可的公司。

鈉冷快堆（SFR）使用液態鈉作為冷卻劑，在快中子譜下運行，可實現燃料再利用並減少核廢料。Arc 的 ARC-100（100 兆瓦）、Oklo 的 Aurora-INL（75 兆瓦）和 TerraPower 的 Natrium（345 兆瓦）是主要開發項目。TerraPower 的 Natrium 項目預計 2032 年投運。

熱管微堆使用熱管實現高導熱率，有效傳熱率在 5000 至 200000 瓦/米之間。Westinghouse 的 eVinci 微堆（5MW）、Oklo 的 Aurora Powerhouse、Antares Nuclear 的 R1 微堆和 Radiant Industries 的 Kaleidos 微堆（1.2MW）正在開發中。

監管環境與部署時間表

摩根大通稱，美國核電站必須經過 NRC 的安全、環境和反壟斷審查，獲得早期場地許可、設計許可、建造許可和運營許可。傳統的 Part 50 路徑採用分步許可流程，先獲建造許可再申請運營許可。1989 年引入的 Part 52 路徑允許申請人在滿足特定條件時獲得建造和運營的聯合許可（COL），降低違約風險並提高確定性。

特朗普政府的監管改革顯著加速審批流程。行政命令要求能源部和 NRC 設定 18 個月的審查窗口，並在成功完成預申請階段後，部分新設計可能在 12 個月內完成審批。NRC 的聯合許可方式通過僅審查新提交與已批准設計之間的"增量"，進一步縮短審批時間。

據摩根大通研報稱，目前，NuScale 的 50MW 和 77MW 輕水壓水堆是唯一獲得 NRC 標準設計認證的 SMR 設計。

Kairos Power 於 2023 年 12 月獲得第四代 SMR 建造許可，2024 年 7 月開工，目標 2027 年投運。

TVA 成為首家提交 GE Vernova 日立 BWRX-300 SMR 技術建造許可申請的美國公用事業公司。

大多數競爭對手仍處於預申請或預設計許可申請階段。

數據中心電力需求激增創造市場機遇

摩根大通認為，超大規模雲服務商（亞馬遜、谷歌、Meta）可能為 SMR 項目提供直接支持，以滿足清潔能源數據中心需求。谷歌已與 Kairos Power 簽約，確保 2030 年前實現 SMR 上線，到 2035 年達到 500 兆瓦裝機。

能源部將鈉冷快堆、高温反應堆和熔鹽反應堆列入 2030 年部署觀察名單。世界核協會追蹤的 25 個 SMR 項目處於預投資、合作協議、項目關聯、最終投資決定或在建階段。Kairos Power 的 Hermes 熔鹽冷卻反應堆是唯一處於"在建"階段的項目。

NuScale、Oklo、Westinghouse、TerraPower 和 X-Energy 是最活躍的開發商。這些公司通過與大型公用事業公司、工業用户和政府機構合作，推進項目融資和場地選擇。部分項目已獲得美國能源部的貸款批准和技術投資協議支持。

商業化仍面臨多重挑戰

摩根大通指出，技術路線眾多導致競爭激烈，可能阻礙任何單一技術達到商業臨界規模。監管框架雖在演進，但往往滯後於 SMR 技術的多樣性和新穎性，特別是非水冷和先進設計面臨許可不確定性和延遲。

供應鏈準備不均衡構成重大瓶頸。許多新型燃料形式和反應堆部件尚未實現商業規模生產。HALEU 燃料供應有限對許多先進 SMR 概念構成重大障礙。據核能研究所（NEI）預測，北美 HALEU 需求將快速增長，但供應能力建設需要時間。

經濟可行性仍待驗證。儘管 SMR 通過工廠製造和模塊化設計尋求經濟優勢，但首堆成本和規模經濟效應仍是關鍵考驗。BloombergNEF 的分析顯示，不同開發商在融資、監管、項目和時間表四個維度的進展差異顯著。NuScale 在監管批准方面領先，X-Energy 和 Oklo 在項目管道和客户數量上表現突出。

國際合作對加速 SMR 採用和可擴展性至關重要。目前全球 SMR 項目主要集中在北美，加拿大和美國共有超過 30 個處於不同開發階段的項目。安大略電力公司與 GE 日立合作的達靈頓核設施 1.2 吉瓦項目計劃 2029 年投運，將成為西方世界首個落地的 SMR 項目。