3D打印微型核反應堆問世，AI算力迎來全新“心臟”

AI 時代，面臨傳統電網和可再生能源的壓力，科技巨頭們爭奪的資源已不僅僅是 GPU，而是穩定、低價、全天候不斷電的清潔能源。現在，解決方案或許又多了一個新的選擇。

近日，美國核能初創公司 Ampera 稱，已基于 3D 打印完成全球首個全尺寸核反應堆模塊，旨在為 AI 數據中心、國防應用、工業設施和偏遠地區等提供清潔電力。

該模塊將用于 Ampera 的釷基微型反應堆系統，最高可提供 30 兆瓦商業發電能力，有望連續運行 30 年。更重要的是，該反應堆采用完全 3D 打印的碳化硅反應器核心和壓力容器，設計方面無需中途更換燃料和頻繁維護，也幾乎不產生碳排放。

那么，這套系統究竟采用了怎樣的技術路線？

“這種新一代核反應堆堆芯和壓力容器為工廠化、大規模生產的核能奠定了基礎，”Ampera 公司 CEO Brian Matthews 表示，“它采用的先進技術和增材制造工藝，為新型核技術加速推向市場提供了一條清晰的商業路徑。”

圖丨Ampera 公司 CEO Brian Matthews 進行技術展示（來源：Ampe）

Ampera 所開發的，是一種次臨界、固態、工廠預制的釷基核反應堆。次臨界意味著，燃料本身并不維持核鏈式反應，只有持續提供外部中子源時，反應堆才能維持裂變，因此在物理本質上有利于杜絕功率失控飆升的可能性。

與傳統臨界反應堆相比，這種架構理論上可以更快啟停。傳統核反應堆停機后，受氙中毒等瞬態效應影響，往往需要較長時間才能重新啟動。

而 Ampera 的次臨界架構的維持基于外部中子源，在實現即時重啟、穩定的功率爬升速率和快速的功率變化方面，具有更好的動態調節能力。因此，其擁有廣闊的應用前景，包括在野外軍事作業、船舶配套供電，以及數據中心園區可變負荷調節等。

據公開信息，Ampera 的設備可裝入標準 40 英尺集裝箱，這種規格方便系統通過多種途徑運輸，包括卡車、鐵路、輪船或軍用運輸機等。

（來源：Ampera）

這種模塊化運輸能力，建立在整套反應堆系統高度集成的設計之上。從結構層面，反應堆堆芯位于容器內部，周圍環繞著多層屏蔽層，它還包括熱交換器、渦輪機和發電機。

其主要冷卻劑是氦氣，將反應堆堆芯的熱量傳遞到熱交換器。熱能被傳遞給超臨界二氧化碳（sCO?），后者驅動閉式布雷頓循環渦輪機發電。該系統不使用水進行冷卻，而是依靠氦氣和發電側的空冷冷凝器。

得益于超臨界二氧化碳循環的高性能，單個反應堆堆芯可輸出 30 兆瓦熱能，通過發電系統轉化后，能夠穩定輸出 15 兆瓦電能，能量轉化效率接近 50%。該公司規模更大的 30 兆瓦商業配置采用兩個反應堆堆芯并聯運行，整個系統占地約 86 立方米。

圖丨Ampera釷基微型反應堆工作流程（來源：Ampera）

在燃料方面，Ampera 公司也進行了獨特的設計。它采用的是固態燃料，這種顆粒由釷燃料核心和包裹其外的多層陶瓷和碳層組成。其燃料平臺建立在受商業秘密保護的專有工藝和 60 多項核燃料制造專利上，其中包括用于生產高質量安全三結構各向同性（TRISO）燃料顆粒的專有噴射技術。

釷是一種儲量豐富的元素，其在地殼中的含量是鈾的三倍多，且天然釷無需濃縮，不僅簡化了供應鏈還降低了擴散風險。先進的釷燃料循環系統有望實現比傳統鈾燃料循環系統更高的燃料利用率。國際原子能機構（IAEA）的報告顯示，釷有可能為人類的能源需求提供長期解決方案。

由于釷-232 不具備裂變性，必須通過中子轟擊“增殖”成鈾-233，這一過程在反應堆堆芯內約需要 20 至 30 天。增殖完成后，鈾-233 將在反應堆的整個運行周期內維持產生能量的裂變過程。一旦關閉中子發生器，反應堆就會停止運行。為獲得單獨、穩定的中子源，Ampera 自主研發了一套專有中子驅動系統，用于啟動反應堆，并持續維持裂變反應。

“釷是未來超安全、清潔能源生產的發展方向，”Matthews表示，“通過在美國生產 TRISO 釷核，我們可以確保在擴大生產規模的同時獲得充足的燃料供應，并最大限度地降低價格波動風險。”

在保障釷供應方面，該公司也進行了準備。今年 2 月，Ampera 已在澳大利亞成立子公司 Ampera Australia Pty Ltd，并計劃自行生產 TRISO 燃料芯核。

（來源：Ampera）

除了燃料體系之外，Ampera 另一項核心創新來自反應堆本體的制造方式。反應堆的核心部件是一個球形回旋體堆芯，這種設計旨在最大限度地提高中子效率和熱性能。傳統制造方法的局限性無法制備這種復雜的結構，Ampera的解決方案是使用增材制造技術。

回旋體核心結構采用 3D 打印技術制造。此前，該公司已生產出塑料核心用于概念驗證，并小規模生產碳化硅核心。之所以選擇碳化硅，是因為它能夠承受約 3,000 攝氏度的高溫（完全在反應堆的運行溫度范圍內）。

而增材制造能力來自馬修斯創立的另一家姊妹公司的支持。該公司運營著一臺面積約 3 米*3 米 的小型打印機，目前這種打印機已為航運業及其他行業的商業客戶提供服務。

（來源：Ampera）

最近幾年，先進核能領域的初創公司數量已激增至 100 多家。一個現實的問題是，如果一次只建造一個反應堆，無論是成本降低還是市場競爭力都很難具備優勢。

Matthews 稱，公司希望成為首批實現核反應堆工廠化制造和規模化部署的企業之一。據該公司評估，該系統的發電系統最早將于 2027 年投入使用，而核模塊則將在 2030 年左右根據監管部門的批準情況向客戶交付。

目前，該公司已經展示了首個模塊，并計劃通過工廠化生產和模塊化設計，大幅降低建造成本和時間，來滿足 AI 數據中心爆炸式增長的用電需求。也需要看到的是，現在這項技術還處于早期階段。

對于 Ampera 而言，真正想解決的問題并不僅僅是造出一種新的核反應堆，而是讓核能像服務器一樣實現標準化、模塊化部署。未來數據中心競爭的重點，或許不僅是算力，也是誰能更快獲得穩定、長期的電力。

參考資料：

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/首圖由 AI 輔助生成