AI 时代，面临传统电网和可再生能源的压力，科技巨头们争夺的资源已不仅仅是 GPU，而是稳定、低价、全天候不断电的清洁能源。现在，解决方案或许又多了一个新的选择。
近日，美国核能初创公司 Ampera 称，已基于 3D 打印完成全球首个全尺寸核反应堆模块，旨在为 AI 数据中心、国防应用、工业设施和偏远地区等提供清洁电力。
该模块将用于 Ampera 的钍基微型反应堆系统，最高可提供 30 兆瓦商业发电能力，有望连续运行 30 年。更重要的是，该反应堆采用完全 3D 打印的碳化硅反应器核心和压力容器，设计方面无需中途更换燃料和频繁维护，也几乎不产生碳排放。
那么，这套系统究竟采用了怎样的技术路线？
“这种新一代核反应堆堆芯和压力容器为工厂化、大规模生产的核能奠定了基础，”Ampera 公司 CEO Brian Matthews 表示，“它采用的先进技术和增材制造工艺，为新型核技术加速推向市场提供了一条清晰的商业路径。”
Ampera 所开发的，是一种次临界、固态、工厂预制的钍基核反应堆。次临界意味着，燃料本身并不维持核链式反应，只有持续提供外部中子源时，反应堆才能维持裂变，因此在物理本质上有利于杜绝功率失控飙升的可能性。
与传统临界反应堆相比，这种架构理论上可以更快启停。传统核反应堆停机后，受氙中毒等瞬态效应影响，往往需要较长时间才能重新启动。
而 Ampera 的次临界架构的维持基于外部中子源，在实现即时重启、稳定的功率爬升速率和快速的功率变化方面，具有更好的动态调节能力。因此，其拥有广阔的应用前景，包括在野外军事作业、船舶配套供电，以及数据中心园区可变负荷调节等。
据公开信息，Ampera 的设备可装入标准 40 英尺集装箱，这种规格方便系统通过多种途径运输，包括卡车、铁路、轮船或军用运输机等。
这种模块化运输能力，建立在整套反应堆系统高度集成的设计之上。从结构层面，反应堆堆芯位于容器内部，周围环绕着多层屏蔽层，它还包括热交换器、涡轮机和发电机。
其主要冷却剂是氦气，将反应堆堆芯的热量传递到热交换器。热能被传递给超临界二氧化碳（sCO₂），后者驱动闭式布雷顿循环涡轮机发电。该系统不使用水进行冷却，而是依靠氦气和发电侧的空冷冷凝器。
得益于超临界二氧化碳循环的高性能，单个反应堆堆芯可输出 30 兆瓦热能，通过发电系统转化后，能够稳定输出 15 兆瓦电能，能量转化效率接近 50%。该公司规模更大的 30 兆瓦商业配置采用两个反应堆堆芯并联运行，整个系统占地约 86 立方米。
在燃料方面，Ampera 公司也进行了独特的设计。它采用的是固态燃料，这种颗粒由钍燃料核心和包裹其外的多层陶瓷和碳层组成。其燃料平台建立在受商业秘密保护的专有工艺和 60 多项核燃料制造专利上，其中包括用于生产高质量安全三结构各向同性（TRISO）燃料颗粒的专有喷射技术。
钍是一种储量丰富的元素，其在地壳中的含量是铀的三倍多，且天然钍无需浓缩，不仅简化了供应链还降低了扩散风险。先进的钍燃料循环系统有望实现比传统铀燃料循环系统更高的燃料利用率。国际原子能机构（IAEA）的报告显示，钍有可能为人类的能源需求提供长期解决方案。
由于钍-232 不具备裂变性，必须通过中子轰击“增殖”成铀-233，这一过程在反应堆堆芯内约需要 20 至 30 天。增殖完成后，铀-233 将在反应堆的整个运行周期内维持产生能量的裂变过程。一旦关闭中子发生器，反应堆就会停止运行。为获得单独、稳定的中子源，Ampera 自主研发了一套专有中子驱动系统，用于启动反应堆，并持续维持裂变反应。
“钍是未来超安全、清洁能源生产的发展方向，”Matthews表示，“通过在美国生产 TRISO 钍核，我们可以确保在扩大生产规模的同时获得充足的燃料供应，并最大限度地降低价格波动风险。”
在保障钍供应方面，该公司也进行了准备。今年 2 月，Ampera 已在澳大利亚成立子公司 Ampera Australia Pty Ltd，并计划自行生产 TRISO 燃料芯核。
除了燃料体系之外，Ampera 另一项核心创新来自反应堆本体的制造方式。反应堆的核心部件是一个球形回旋体堆芯，这种设计旨在最大限度地提高中子效率和热性能。传统制造方法的局限性无法制备这种复杂的结构，Ampera的解决方案是使用增材制造技术。
回旋体核心结构采用 3D 打印技术制造。此前，该公司已生产出塑料核心用于概念验证，并小规模生产碳化硅核心。之所以选择碳化硅，是因为它能够承受约 3,000 摄氏度的高温（完全在反应堆的运行温度范围内）。
而增材制造能力来自马修斯创立的另一家姊妹公司的支持。该公司运营着一台面积约 3 米*3 米 的小型打印机，目前这种打印机已为航运业及其他行业的商业客户提供服务。
最近几年，先进核能领域的初创公司数量已激增至 100 多家。一个现实的问题是，如果一次只建造一个反应堆，无论是成本降低还是市场竞争力都很难具备优势。
Matthews 称，公司希望成为首批实现核反应堆工厂化制造和规模化部署的企业之一。据该公司评估，该系统的发电系统最早将于 2027 年投入使用，而核模块则将在 2030 年左右根据监管部门的批准情况向客户交付。
目前，该公司已经展示了首个模块，并计划通过工厂化生产和模块化设计，大幅降低建造成本和时间，来满足 AI 数据中心爆炸式增长的用电需求。也需要看到的是，现在这项技术还处于早期阶段。
对于 Ampera 而言，真正想解决的问题并不仅仅是造出一种新的核反应堆，而是让核能像服务器一样实现标准化、模块化部署。未来数据中心竞争的重点，或许不仅是算力，也是谁能更快获得稳定、长期的电力。
参考资料：
1.https://www.theregister.com/systems/2026/07/03/startup-targets-datacenters-with-3d-printed-nuclear-reactor-module/5266480
2.https://www.prnewswire.com/news-releases/ampera-marks-major-nuclear-milestone-863473352.html
3.https://www.powermag.com/inside-amperas-bet-on-subcritical-thorium-microreactors
4.https://www.prnewswire.com/news-releases/ampera-establishes-australian-subsidiary-to-secure-thorium-supply-and-support-us-advanced-nuclear-fuel-production-302794237.html
5.https://www.iaea.org/bulletin/thoriums-long-term-potential-in-nuclear-energy
排版：胡莉花
注：封面/首图由 AI 辅助生成
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