比尔·盖茨投资的第四代核电站：有诸多危险，但将成为游戏改变者？

2024年6月10日，微软创始人比尔·盖茨投资的核能公司TerraPower宣布，其耗资高达40亿美元的Next-generation（下一代，亦被称为“第四代”）核电站Natrium反应堆，在怀俄明州的Kemmerer市破土动工。该项目是345MW钠冷快堆，配有熔盐储能系统，能在电网需要时将输出功率提高至500MW，预计在2030年投入运营。

比尔·盖茨很早就投资于核能，成立于2006年的TerraPower，2021年与巴菲特的BerkshireHathaway旗下的“太平洋电力公司”合作，继续研发“第四代”钠冷快中子反应堆（SFR），并希望在2035年能实现5座新核电站应用。能源使用效率的显著提升，对生产生活方式与文明有极大的促进作用。

危险的钠

与第三代核电的“轻水堆”采用水作为减速剂与导热介质不同，号称第四代核电的Natrium采取液态金属钠作为工质。现今常见的压水堆（PWR）在150个大气压下，可实现325℃进行热量交换而不汽化。而金属钠的沸点为883℃,因此“纳冷堆”可在不加压情况下，比尔·盖茨投资的第四代核电站：有诸多危险，但将成为游戏改变者？将反应堆的工作温度提高到550℃。金属钠的导热率是水的50倍，综合上述更高的工作温度，“核能管理委员会（NRC）”评估认为：液态金属钠的热交换效率是水的100倍，其工作效能较第三代核电高得多。

“轻水堆”（含沸水堆、压水堆）只能使用占天然铀约0.72%的铀235，而无法使用在天然铀中占比达99.28％的铀238。因此，在核燃料棒报废后，核废料的剩余辐射仍很高，且裂变反应后产物中还含有大量重元素，例如锕系元素等也难以利用，且辐射危害很大，核废料的处理、保存、安全成为全世界难题。

而“第四代”的快中子堆，却可以使用天然铀中丰度极高的铀238，避免了核材料的巨大浪费。且在快中子堆中，铀238捕捉快中子并经过两次β衰变后，可形成钚-239，其作为“放射性同位素热电机”的能量来源，可用于驱动太空船。这种“一鱼两吃”的特性，在核物理方面被称为“增殖”，快中子堆因此也被称为“快中子增殖反应堆”。

更高效率，意味着更大利润，这样的好事谁不愿意？快中子堆并不是新概念，早在1951年，人类历史上第一座真正发电的核电厂“实验性增殖反应炉一号”（EBR-1）就是使用快中子堆原理，当时使用的冷却剂是液态钠钾合金。

但是，理论很先进、应用跟不上，科学很完美、工艺难实现，是纯科学向实用科技转化过程中的必然，应用与工艺的成熟动辄需要几十年、甚至几代人。早期的液态金属快中子增殖反应堆，都无法克服液态金属钠对容器和管道的腐蚀效应。

金属钠的活性非常高，它暴露在空气中就会剧烈氧化而燃烧，碰到水甚至会爆炸，所以在工业使用中，要将钠浸泡在煤油中储存。

在历史上，液态金属快中子增殖堆大多没好结局：1986年日本建造的“文殊”反应炉，在1995年，冷却系统出现裂缝，泄漏了640公斤钠蒸汽导致发生大火，此后其故障不断，动燃集团事务部副主任跳楼自杀以谢罪，也无法挽回败局，最终在2010年停堆。1976年，法国建造的Superphénix（超级凤凰）曾是世界上最大的增殖反应堆，也曾发生液氮冷却系统腐蚀与泄漏，最后因各种问题缠身而在1997年关闭。

目前，世界上仍在运行的“钠冷堆”，只剩下俄罗斯的BN600和BN800。而前苏联海军科技大跃进在705型核潜艇上使用“钠冷堆”，导致频繁的核事故：K-64艇、K-123艇都因钠冷却剂管路故障，而产生重大核事故。科技水准更先进些的美国，也没好到哪儿去，1957年投入使用的SSN-575是美军唯一使用“钠冷堆”的核潜艇，也曾发生过热器泄漏事故，导致其在1958年就拆除了“钠冷堆”，改回比较落后的压水堆。

针对金属钠的危险性问题，科技界几十年来始终在不懈努力，尝试了汞、铅、锡、钠钾合金、铅铋合金等多种材料，譬如“欧盟执行委员会”在2015-2019年间，投入660万欧元，建造了三座快中子反应炉示范项目，评估热工水力模拟和实验计划研究SESAME，研究金属流体在管线与核反应炉中的流动以及对设备的影响，重点为研究纳冷、铅冷技术路径的发展打下基础。

可应用于核武

即便金属钠的安全性问题被解决了，还有个核武安全难题必须解决。目前流行的第三代核电“轻水堆”无法应用于核武，被认为是“和平利用核能”的典范。但“快中子增殖反应堆”反应产物钚-239，则是武器级核材料，1945年核爆长崎的第二枚原子弹“FatMan”就是钚弹。这也是俄罗斯坚持保有“钠冷堆”、朝鲜建设重水堆的原因，这两类反应堆都能生成武器级钚-239，用来制造核武器。

因此，“国际原子能机构”强调：拥有“快中子增殖反应堆”的国家，必须有更明确的政策与监控措施。但历史经验告诉我们：基于人性弱点的“加强管理”最靠不住。相较而言，下述技术思路还稍微可靠些：彻底更改核燃料棒的设计，使其一次填料直接运行到彻底报废，而中途无法以“维修”为借口安全取出，以避免裂变生成物钚被偷偷提炼、窃取，如果有人非法拆解、偷盗，将受到致命核辐射，以避免导致核恐袭的危险。

危险性较高的项目，应该建设在较为荒凉、闭塞、人烟稀少之处，万一发生意外，危害程度、舆论管控、遇害者赔偿等都相对较低。比尔·盖茨和巴菲特投资的“第四代”钠冷堆选址的怀俄明州，在美国西部，是全美人口最少的一个州，符合上述常规经验。

问题是：前几十年屡试屡败、屡败屡试的液态金属快中子增殖反应堆，所有技术难题，都被比尔·盖茨的科研团队解决了吗？核技术安全与核武安全解决方案，真的都得到了可靠的保障吗？2035年就达到5座新核电站，技术和工艺真的成熟了吗？这当然是比尔·盖茨的商业秘密，外界只能通过时间来验证。

熔盐储能系统

在核电话题之外，还有个非核的，但却与之相关的科技，即Natrium反应堆所配套的熔盐储能系统。它能在核电发电峰值、市场耗能谷值时，把富余的能量储存起来；而在市场耗能峰值时，不必使Natrium反应堆超负荷运行，却能增加约45%的155MW电能输出，在满足市场需求的同时，保障核电站和输变电网络的平稳运行与安全。

熔盐储能系统，就是用核电厂的富余能量，熔化高温熔岩储存槽内的硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙这类安全而廉价的无机盐，储存巨大的热能。当其释放能量时，高温熔盐通过热交换器，驱动蒸汽发电机发电，这种能量储存方式称为“热能储存TES”。这种储能方式已能使热能损失的速度非常缓慢，科技期刊《Journalofenergystorage》的论文指出：应用新科技的储存槽，使用约125cm厚隔热层，每月能量损失仅有5%，TES能实现数以月计甚至跨季节的能量储存。

相较锂离子电池平均每月仅损失0.5%-1%的能量损耗，熔盐储能系统的储能效果没那么好、能量流失较大。但是其矿物盐成本低廉、更加安全，没有锂离子那类化学储能潜在的巨大环境污染风险。

这类熔盐储能系统，不仅能用于核电站，而且能用于太阳能发电系统。2018年，第一座可24小时发电的热太阳能电厂Gemasolar在西班牙诞生，放置在沙漠中镜面矩阵，不是太阳能电池板，而是将阳光聚焦、反射到场地中央竖立的熔盐发电塔，其内部存储着60%硝酸钠 40%的硝酸钾混合物。在夜间没有日照时，通过熔盐放热驱动，仍能持续15小时稳定发电，其19.9MW功率能为27500个家庭提供稳定用电。

熔盐储能式热太阳能电厂，不但解决了传统太阳能电池板在无阳光时无法发电的弱点，且其使用的是反光镜面，而非光伏板，这就减少了在光伏板生产过程中产生的大量重金属污染，以及废弃光伏板对环境的持久性影响。

智利看到了西班牙的成功案例，于2019年启动了AlbaProject，计划将其沙漠区内的燃煤厂全部转为熔盐太阳能电厂，装机容量达560MW，最终希望在2040年，全面淘汰传统的化石燃料发电方式。这并非仅仅是出于环保目的，对于缺乏化石能源的智利而言，如果能以新结构的、24小时稳定发电的太阳能来实现能源替代，可以节省原本用来进口能源的大量宝贵外汇，若能向周边拉丁美洲国家输出电能，更能赚来大量外汇硬通货。

比尔·盖茨的Natrium反应堆 熔盐储能系统，如果能够成功，毫无疑问将大大提高核能的发电效益。至于向来老谋深算、锱铢必较的巴菲特，很少看走眼，这个“第四代核电”或许市场前景很宽广。

另一个思维视角是：作为OpenAI背后最大的投资金主，同时又是理工科出身的比尔·盖茨，很早就意识到AI/AGI研发耗能巨大，而掌握在自己手中的核电，加上富余能量的熔盐储能系统，不但能实现全体系安全性，而且能降低AI/AGI（通用人工智能）研发的耗能成本。

这一点，与另一个原创科技巨擘马斯克不谋而合。马斯克很早就投资于SolarCity，事实证明这对提升Tesla的股价和品牌价值意义重大，更为深远的是，Musk对其旗下人工智能品牌xAI、Neuralink未来发展描述，明确提到了AI/AGI研发耗能问题，两个世界首富级的“知本家”真可谓英雄所见略同。

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吴旭

责编陈斌