近日，Google宣布与凯罗斯能源公司（Kairos Power）签署新的核清洁能源协议，该协议将使小型核反应堆能够为谷歌的AI中心提供所需的能源：
为了加速美国的清洁能源转型，我们正在签署全球首个企业协议，购买凯罗斯能源公司开发的多个小型模块化反应堆（Small Modular Reactors, SMR）所产生的核能。
自十多年前开创了首批企业可再生电力采购协议以来，谷歌在加速清洁能源解决方案，特别是新一代先进清洁技术方面，发挥了关键作用。今天，我们在这些努力的基础上再进一步，签署了全球首个企业协议，购买由凯罗斯能源公司开发的多个小型模块化反应堆（SMR）产生的核能。初期阶段的目标是确保凯罗斯能源的首个SMR在2030年前安全快速上线，后续将在2035年前部署更多的反应堆。总体而言，此项合作将为美国电网提供高达500兆瓦的全时段碳中和电力，让更多社区受益于清洁、经济的核能。
该协议的重要性在于以下两方面：
首先，电网需要新的电力来源来支持AI技术的发展，这些技术正推动科学进步，改善企业和客户服务，促进国家竞争力和经济增长。此协议有助于加速一种新的技术，以清洁和可靠的方式满足能源需求，并充分释放AI的潜力，使其惠及每个人。
其次，核能解决方案提供了一种清洁、全天候的电力来源，能够帮助我们每时每刻地以碳中和能源可靠地满足电力需求。与支持该计划的地方社区紧密合作，推动这些电力来源的应用，将有助于快速实现全球电网的去碳化。
凯罗斯能源公司由核工程领域的William S. Floyd和Jean McCallum Floyd讲席教授Per F. Peterson，以及伯克利工程学院的校友Edward Blandford（2010年获得核工程博士学位）和Mike Laufer（2013年获得核工程博士学位）创立。
Peterson教授是熔盐和熔盐反应堆（molten salt nuclear reactor）技术方面研究的专家。熔盐反应堆技术促成了凯罗斯能源公司的成立。
关于熔盐反应堆技术，以及Peterson教授的研究工作，UC Berkeley官网的这篇文章Nuclear power renaissance—Reinventing energy systems via molten salt technologies进行了详细介绍：
一、核能发展的历史与背景
核能技术的研究始于20世纪中期，当时核反应堆被认为是未来动力源的最前沿之一。1950年代的NB-36H核动力飞机是熔盐反应堆的早期应用尝试。核动力飞机原本是为了实现长期飞行而设计的，不需要频繁加油，仅需为机组人员补充食物和物资即可飞行数周或数月。NB-36H的设计中采用了熔盐反应堆作为轻型替代品，与传统水冷反应堆相比，熔盐反应堆具有高功率重量比，这种特性使得它尤其适合需要严格控制重量的应用场景。
然而，这个核动力飞机项目最终被取消，主要原因在于核动力飞机在坠毁时可能造成的放射性污染问题，使得核动力飞行器的概念过于危险和不可行。而在此过程中，核潜艇的核反应堆技术取得了更大的进展，这些潜艇广泛使用水作为冷却剂，完全取代了之前的传统燃料动力潜艇，并且在军事和民用核反应堆的发展中奠定了基础。
二、熔盐反应堆的优势分析
1. 高温操作与能量效率
熔盐反应堆的一个显著优势在于它能够在高温下运行，这意味着它可以在相同条件下产生比水冷反应堆更多的能量。传统的水冷反应堆通常需要在约300摄氏度的温度下运行，并且在约140个大气压的压力下维持水的液态状态，这对冷却系统的材料提出了很高的强度要求，增加了建设成本和复杂性。而熔盐反应堆由于冷却剂的熔点高于反应堆的工作温度，因此无需加压，这显著降低了系统的复杂性和建设成本。
熔盐冷却剂的特性使得反应堆在高温下仍能保持稳定，不易发生沸腾，减少了传统核反应堆因冷却剂蒸发而导致的熔毁风险。这种高温操作直接导致了更高的蒸汽生成量，从而大大提高了发电的效率。高温熔盐反应堆热效率可以达到45%，相较于传统水冷反应堆的32%有显著提升。
2. 固有的安全性
熔盐反应堆的另一大优势在于其固有的安全性。与水冷反应堆不同，熔盐在事故情况下不会发生沸腾，因此燃料熔毁的风险极低。即使在紧急情况下熔盐反应堆也可以在没有电力供应的情况下继续移除残余热量，依靠的是其自身的热物理特性。这种被动冷却机制在发生紧急事故时能显著降低系统的安全风险，无需依赖额外的电力驱动冷却系统。
熔盐作为冷却剂的另一个特点是它们不会因高温而产生剧烈的体积膨胀，系统可以在常压下运行，这进一步降低了反应堆的结构要求和造价。而且熔盐的化学稳定性使其能够吸收裂变产物和放射性废物，从而降低了废物管理的难度。
三、主要研究进展
1. Compact Integral Effects Test (CIET)试验
CIET是加州大学伯克利分校的一项研究，用于模拟熔盐冷却剂在反应堆核心和换热系统之间的循环。CIET设备是一座30英尺高的钢塔，内部布满了曲折的管道，利用传热油模拟熔盐的循环。CIET试验对研究熔盐反应堆的被动安全系统具有重要意义。这些系统在裂变反应停止后，能够无需电力而去除放射性裂变产物所产生的残余热，这使得熔盐反应堆在事故发生后的安全性得以保障。
2. SALT实验室的研究
在伯克利的SALT实验室，核工程助理教授Raluca Scarlat带领的研究小组专注于研究各种熔盐在核反应堆环境下的行为。实验中研究人员使用透明手套箱，在充满氩气的密封环境中操作各种熔盐，例如FLiBe（一种由铍和氟化锂组成的混合物）。这些实验主要关注熔盐在反应堆堆芯中会发生哪些化学变化，例如它们对裂变副产物氚的吸收情况。
FLiBe熔盐的熔点在约460摄氏度到1460摄氏度之间，这使其能够在更高的温度下操作，从而提高蒸汽的产生量，极大地提升了反应堆的效率。而且FLiBe具有良好的化学稳定性，这意味着它在面对高温和高辐射环境时依然能够保持结构不变，极大地提升了反应堆系统的安全性和稳定性。
四、熔盐反应堆面临的挑战
1. 腐蚀问题
尽管熔盐在核反应堆中展现了很多优点，但其对材料的腐蚀性仍然是一个巨大的工程挑战。熔盐的腐蚀性与其化学性质密切相关，尤其是当存在微量水分时，熔盐冷却剂对金属的腐蚀性会显著增加。Hosemann教授使用电子显微镜放大腐蚀后的金属样本，以研究其微观结构的变化。这些研究帮助工程师预测熔盐反应堆容器在长期运行中的腐蚀速度，从而设计出更耐腐蚀的材料。
此外，熔盐冷却剂在常温下会冻结，这意味着反应堆的维护和修理工作必须在高温下进行，或者需要在修理前完全排空冷却剂。对于商业化应用，如何处理这些维护问题，尤其是确保系统的高可靠性，是需要克服的一个重要难题。
2. 液体燃料与腐蚀控制
熔盐反应堆的一些设计使用液态燃料，这使得反应堆在废物管理方面有很大优势。然而，液态燃料会在反应堆中产生杂质，这些杂质会增加熔盐的腐蚀性。为了应对这种腐蚀问题，必须对反应堆的材料进行改进，这会增加成本。因此，熔盐反应堆的材料和结构设计必须足够坚固，以应对长期腐蚀带来的挑战。
五、模块化设计与未来展望
Peterson教授提出，熔盐反应堆的未来在于模块化设计。这种设计理念是将反应堆的高温部件设计为可替换模块，使得这些组件在达到使用寿命后可以快速更换，从而降低维护成本并提高系统的长期可靠性。模块化设计的优势在于可以通过反复替换和测试，不断对系统进行优化，逐步提升反应堆的性能和安全性。
Kairos Power公司就是基于这种模块化设计的理念而成立的，旨在开发基于熔盐技术的示范性反应堆“赫尔墨斯（Hermes）”。这也是加速熔盐反应堆商业化应用的重要一步，目前已经获得了美国核管理委员会的许可。
六、实现零碳未来的可能性
加州承诺在2045年实现净零碳排放，尽管可再生能源被视为实现这一目标的主要手段，但在现实中，电力需求并不总是与可再生能源的发电时间相匹配。例如，当晚间可再生能源发电减少时，自然气发电就会增加，以弥补供电缺口。因此，即便是在乐观的可再生能源发展情景下，也有约10%的能源需求难以仅靠可再生能源和储能来满足。
熔盐反应堆因其生产碳中和能源的能力，以及与天然气相比较低的运行成本，被认为是未来应对这一能源缺口的重要选择之一。目前核燃料的成本约为每百万英热单位50美分，而天然气的价格在2022年波动于2到9美元之间。如果熔盐反应堆能够进一步降低建设和运营成本，核能可能成为更具经济竞争力的能源来源。
即便熔盐反应堆最终无法完全替代天然气，相关的研究依然具有重要价值。例如，类似于聚变反应堆的长期研究虽然尚未实现商业化应用，但它在超导体、等离子体和材料科学等领域带来了许多突破性进展，熔盐反应堆的研究也可能在其他领域产生类似的科学和工程进步。
七、总结与未来的挑战
总的来说，熔盐反应堆代表了核能领域的重要创新，其高温高效、固有安全性和模块化设计为未来能源系统提供了新的选择。然而，熔盐反应堆的腐蚀性和维护难度是其面临的主要工程挑战。未来的研究需要在材料科学、反应堆设计和模块化操作等方面取得突破，才能推动这种技术从实验室走向大规模应用。
在能源结构逐渐向低碳转型的背景下，熔盐反应堆可能是实现未来能源可持续性的重要一环，尤其是在与可再生能源结合的情况下，通过提供高效、安全、低成本的能源，减少对化石燃料的依赖，助力实现全球的碳中和目标。
P.S.，核能技术的另外一个创新：用液态钠作为核电冷却和热传导介质