核能领域的龟兔赛跑

Aging reactors, energy prices, disasters. Nuclear power has been falling out of favor in the US for decades. But the conversation is changing. The intensifying threat of global warming and the explosion of AI are boosting the outlook of nuclear energy. 最近一期的**《纽约客》杂志**上提供了一个分析，关于中美两国在核反应堆技术这一对未来发展极为重要的领域，进行‘龟兔赛跑’的案例。这个案例的启示非常清楚：两个国家原本是龟兔赛跑，中国从远远落后的起点上逐步追赶，现在已经全面接近，甚至超越。不仅如此，更惊人的是，双方的龟兔角色可能出现置换。虽然美国非常不习惯扮演落后的乌龟角色，但现在这个乌龟壳确实已经隐隐约约盖在了后背上。

中美合作的起点

在这场竞争当中，中国最先进的核反应堆技术，其实是通过与美国合作得到的。起点是一次双方‘一个愿打一个愿挨’的交易。美国得到了一些好处，中国得到的是巨大的好处：几百万美元的代价，换来的是价值根本无法用金钱估算，且需要多人积累才能获得的知识和技能。中国著名的核物理学家、中科院上海应用物理研究所的徐宏杰研究员不幸去世，享年70岁。他在办公室工作时离世，或许可以算作因工牺牲，他确实立下了大功。他去世前的4月份，在中科院上海分院的一次演讲中，他宣布了一项突破性进展：过去多年来，他带领的500人规模的团队一直在研发一种实验性的核反应堆。它并不使用固体燃料，而是采用熔融盐作为可裂变材料，熔融盐的溶液即为燃料，同时也是冷却介质。因此，这种反应堆比目前占据主导地位的水冷核电站更安全、也更高效。

熔盐反应堆的突破

徐宏杰团队研制的反应堆于2023年在甘肃并网运行，成为全球首座，也是目前唯一一座投入运行的同类反应堆，名为‘土鸡熔盐实验堆’。这本身就是一项非凡的成就。后来，徐宏杰团队进一步提高了掌控水平，实现了在不关闭反应堆的情况下添加燃料。他们的科研成果无疑是又上了一个台阶。新建成的这座土鸡熔盐实验堆，是目前国际上唯一运行并实现‘土’（Thorium，钍）燃料入堆的熔盐堆。土鸡熔盐实验堆是以钍作为核燃料，以液态熔盐作为冷却剂的一种核能系统，具有本征安全、无水冷却、长时工作和高温输出等优点。徐宏杰团队的设计来源于美国，他们借鉴了1960年代在田纳西州橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）建成的一座实验性反应堆，名为‘熔岩反应堆试验’（Molten Salt Reactor Experiment, MSRE）。橡树岭国家实验室是来自于1940年代为研制原子弹设立的曼哈顿计划的一部分，是美国能源部旗下最大的科学研究机构。

美国核工业的黄金时代

回顾美国核工业的发展历史，起步之初经历了一个37年的突飞猛进时期，起点是1942年，终点是1979年宾夕法尼亚州三哩岛核电站2号反应堆发生故障为止。1942年，从二战中的轴心国意大利逃到美国的物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi），在芝加哥大学首次实现了可控的核裂变链式反应，建成了历史上第一座人工核反应堆。费米的妻子是犹太人，在墨索里尼的统治下，意大利肯定将面临迫害，所以他们一家借1938年底到瑞典领取诺贝尔物理学奖的机会，流亡到了美国。美国随后建立了橡树岭国家实验室，再接下来，曼哈顿计划顺利实施，在广岛和长崎爆炸了两颗原子弹。美国核能研究的巅峰阶段是1960年前后，美国一个国家就占据了全球核能研发支出的近70%。熔盐反应堆项目体现了核能的黄金时代，预示着各种可能性。这个构想源自1940年代末期，当时美国空军提出请求，希望研制出以核能驱动的飞机。橡树岭国家实验室愿意投入研发，因为当时的理念是：对商业部门来说过于困难或风险过高的事情，国家实验室有责任来承担。依靠放射性元素燃烧提供动力驱动飞机正是这样的项目。在当时的条件下，为喷气发动机提供动力的反应堆必须达到800摄氏度。但飞机上对尺寸的要求非常紧凑，小型燃料棒在800摄氏度下会被破坏。因此，橡树岭实验室决定使用氟化盐。这种盐在400摄氏度时会融化成液体，直到1600摄氏度时也能保持稳定。他们将氟化盐混合化，使其处于熔融状态，这种液体状态本身就可以充当燃料，同时也是冷却介质。

增殖反应堆的设想

到1954年底，橡树岭设计的系统达到了实验状态。在短暂运行期展现出了非凡的特性，但也暴露出一些严峻的挑战。一个是泄露问题始终存在。由于设备本身具有很强的放射毒性，人工维修基本上是不可能完成的。橡树岭实验当时采取的临时办法是将放射性气体和碘释放到周边森林中。这个实验性反应堆持续运行100小时后被关闭。美国原子能委员会随后正准备投入资金发展增殖反应堆。增殖反应堆的意思是，在运行过程中，新产生的可裂变材料多于消耗的。这项技术带来的可能性非常激动人心，因为增殖反应堆可能形成的能源规模远远超出全球化石燃料的水平。当时的预计是，煤炭和天然气100年后就会变得稀缺，并可能导致全球变暖。1960年，橡树岭实验堆装载了69公斤浓缩铀进入熔盐中，实验取得了成功。反应堆累计运行时间由之前的100小时提高到了13000小时。其间完成了无数次测试，基本获得了建造反应堆和添加燃料的手段。结论是：熔盐反应堆在技术上完全可行。

美国政策转向与衰退

到了1973年，尼克松行政当局转向了另一种类型——以金属钠为冷却剂的增殖反应堆，因此撤回了作为竞争手段的熔盐项目。橡树岭的熔盐反应堆研究失去了联邦政府的资助，像是走进了死胡同。1979年，宾夕法尼亚州三哩岛核电站发生事故，导致公众对核能的观感变得非常负面，美国民众的心态变成了‘避之唯恐不及’。到了1983年的里根时期，钠增殖反应堆也失去了资金支持，直接原因是预算严重超支，同时研发过程频繁出现各种问题，遭到美国保守派人士的极力反对。当然，根本原因是美国民众心理上严重排斥核电。美国核工业由此进入衰退期。从政府发放的许可证数量看，1954年至1978年，总共批准了133个民用核反应堆建设。而1979年至2012年间，这个数字是0张许可证。也就是说，从1970年代末期到2010年代，美国核电领域几乎没有实质性的研发工作。一度庞大的核能工程师队伍迅速萎缩，因为没有核电厂在建设。结果到了2010年代，熔盐反应堆项目在上海应用物理研究所得到了重生机会。徐宏杰团队尽其所能研究了关于橡树岭熔盐项目的资料。他用到的说法确实就是‘龟兔赛跑’的故事：美国变得懒惰并犯了错误，中国抓住了机会实现了反超。

中国的重生与合作

其实，在实现反超的过程中，中国积极寻求并得到了美国一批核科学家的密切合作。例如，麻省理工学院（MIT）为中国科学家提供了石墨样品，加州大学伯克利分校的核专家曾到上海帮助审查他们最初的设计方案。早在2006年，小布什时期的美国能源部就与中国方面签署了一项初步合作协议。到了2011年，奥巴马时期的美国能源部与中国科学院签署了一份谅解备忘录，双方约定在核技术领域展开合作。此时，美国核能企业向中国出售反应堆技术已无障碍。2015年，上海应用物理研究所与田纳西州的橡树岭国家实验室签署了一项研发合作协议。当时正值中美在科研领域关系最为融洽的时期，双方都认同这种协作符合共同利益和开放科学精神，有利于重振各自的核工业。美国方面当时在新自由主义思想主导下，即使是国家实验室这样的关键机构，也允许其设施和人员对外寻求合作，作为交换，外部机构需提供资金，并可分享合作中获得的技术成果。从美国国内看，这种机制促成了技术从公共机构向商业部门的转移。但橡树岭国家实验室与上海应用物理研究所之间的协议是前所未有的：中国的国有实验室向美国的国有实验室支付了数百万美元后，就研发出了熔盐反应堆所需的材料和管道系统。上海方面相当于支付了网约车费用，却享受了超音速飞机的头等舱服务，迅速到达了目的地。美国方面当时知道，中国因此将率先建成一座熔盐反应堆，因为上海应用物理所有充裕的资金来实现这一目标。美国国内虽然也有相关研究经费，但远不足以建成完整的反应堆。通过与上海的合作，美国研究人员也希望推进一种复杂程度较低的反应堆设计，将熔盐用作冷却剂而非燃料载体，他们也需要资金来开展这项研究。上海方面与美国在熔盐研究领域的合作有良好基础，双方各取所需。

合作的价值与碰撞

同时，一个有趣的对照是：2012年8月，上海应用物理研究所首次到加州大学伯克利开展学术研究，派出的代表陈坤（从美国印第安纳大学取得博士学位后回上海工作）当时30岁出头，而美国参加者年龄明显偏大，三分之二以上在50到60岁之间。有美国参会者关心总额3.5亿美元的预算问题，陈坤的回答是，中国有足够的资金投入，中科院每年都在延长对项目的资助。到2018年，中国承诺在未来20年为熔盐堆投入30亿美元，到2050年对整个核能的投资将达到1.3万亿美元。美国参会者也问上海应物所从哪里得到熔盐堆，他们一直的印象是世上并没有生产线，只有美国能出产。但陈坤回答说，中国已经有好几家这样的设施了。对陈坤这样的中国科学家来说，与美国方面建立联系很有帮助。2012年前后，全世界从事熔盐裂变反应研究的人可能只有三四十个，找到美国同行后，项目在中国的可信度会显著提高。陈坤后来离开了上海，在加拿大创业，目前担任一家核能源公司的CEO，也是一家核能源公司的首席技术官，口号是‘向迫不及待的世界交付低成本的核能’。这家公司源自美国，以模块化造船方式建造浮动核电站，发电功率可达50万千瓦，足以满足一个50万人口城市的用电需求。陈坤的公司建设核电站使用的正是熔盐反应堆技术。对参与合作的美国科学家来说，与上海合作也是向自己政府施压的方式，传递信息：如果中国人在积极做这件事，那么它就应该是有意义的，美国政府也应该重视。美国从事熔盐反应堆研究的关键群体正在退休，有的已去世，急需培养新人接班。中国提供的资金可以帮助橡树岭和其他研究机构传承积累的知识和建造运行熔盐反应堆的经验。再说一遍，上海方面的投入是几百万美元，买到的知识技能和材料，显然是特别超值的，就像用Taylor Swift演唱会门票的钱，买走了她创作的热门歌曲的版权。美国方面输出了技术，上海应用物理所掌握了建设熔盐反应堆的能力，并贡献了关于熔盐泵等关键部件的研究报告。美国方面也利用上海提供的资金，推动了液态冷却高温反应堆从纯理论研究走向实验阶段。橡树岭国家实验室与上海应用物理所的合作在2010年代进行。

合作的终结与新机遇

到了2025年，中美双方在科技领域继续展开合作的框架已经基本坍塌。起点是特朗普2016年当选后，在其第一任期内，双方在核能领域的合作迅速冷却。地缘政治冲突和国家安全成为关键词。美国能源部切断了与上海应用物理所的联系。同时，特朗普政府威胁要吊销向中国出口核技术的美国公司的许可证。到了现在，特朗普的第二任期，橡树岭实验室2015年那样与上海签订协议的人，可能会遭到审查、开除，甚至司法处理。当时参与合作的橡树岭国家实验室的首席研究员，确实已转到商业部门寻找新的机会。现在，经过几十年的冰冻期后，美国核能进入了回暖阶段。2012年参与与上海应物所学术交流的，有一位加州大学伯克利分校的年轻美国博士生，名叫麦克·麦克劳夫（Mac Lafferty）。他后来参与创建了私营核能公司Kairos Power，方向是实现液态冷却高温反应堆的商业化。这个项目研究得到了上海资金的帮助。麦克劳夫的方向代表着美国核能新时代，就像SpaceX通过私营企业促进美国航天发展一样。麦克劳夫有雄心通过私营企业的成功来重建美国的核能力。Kairos Power公司自己制造燃料和熔盐，且生产关键部件，是目前仅有的几家获得美国核管理委员许可的制造公司之一。其反应堆厂房于2022年破土动工，计划在2030年前投入运行。2020年，麦克劳夫的Kairos Power公司获得了美国能源部3亿美元拨款。拜登时期对清洁能源设施的30%投资税收减免，让Kairos公司受益匪浅。特朗普的《大尔美法案》虽然提前终止了对太阳能和风能等洁净能源的税收减免，但保留了对核能的优惠政策。

核能设施的复杂性

熔盐堆对于很多人来说比较陌生，那么它到底是一个怎样的核能设施？内部又是如何运作来释放能量的呢？我们从熔盐反应堆这个特殊领域放大到整个核能来看：核能是美国人研发出来的。它的优势简单概括就是集合了化石燃料和风能、太阳能这些洁净能源的优点。与煤炭、天然气相比，核反应堆不会排放温室气体；与风能和太阳能不同，核电厂可以全天候发电。核电可能是人类能够建设的最复杂的大型设施。目前只有美国、俄罗斯、法国、韩国和中国5个国家能够完成容纳反应堆的压力容器。压力容器是原子发生裂变的地方，由厚度达到10英寸（大于25厘米）的特种钢材制成，必须具备在长达几十年的时间里承受核辐射持续轰击的能力。这个压力容器有一个巨大的三层楼高的安全壳覆盖，由能够防止核泄漏的钢筋混凝土材料制成。成千上万英里的管道和电缆也都必须符合极其严苛的安全标准。一个核电项目动辄耗资数十亿美元，建设过程中一个微小的问题，比如修改某个部件，为了得到监管机构批准，就可能引发工期长期延误。核能处于军用和民用的交汇点上，正因为这种高额投入，才催生出了一系列毁坏力巨大的核武器。同时，美国建成了实验性和商业用途的反应堆组成的庞大反应堆群，成为全球最大的核能生产国。美国目前仍保持这个地位，但中国已经蓄势待发，极有可能在2030年前后，从美国手中夺下桂冠，也就是5年后了。

中国的崛起与领先

21世纪初，中国只有寥寥几座反应堆。但到了2007年，中国就做出了规划，到2020年前后大幅提高核能产量，15年内兴建约40座反应堆，速度与美国顶峰时期差不多。直到21世纪的第一个十年，中国的研发能力还比较有限，需要从外国公司购买新的反应堆，其中就包括大规模的技术转让。当时的美国核工业求之不得，因为美国国内市场对新反应堆的需求接近于零。他们一直处在漫长的寒冬中，数以百计的专家无处施展才华。这个群体中一部分出自美国海军核工程部门，大约在1970年前后投身此领域，他们对设备老化管理、管道开裂、泵体腐蚀等问题了如指掌。这些专家们对蓬勃发展的中国市场有强烈的合作兴趣，因为他们需要舞台发挥能力。由于熔盐堆采用液态燃料，放射性产物中的气态产物可以随时处理，保持反应堆的反应性。现在，就像在太阳能电池板和电动汽车领域迅速取得主导地位一样，中国在核电领域正在取得领先。目前在建反应堆的数量已相当于全世界其他国家的总和。中国的反应堆技术当然源自美国和法国，但中国善于建设的特点非常明显，他们摆脱了困扰西方核电扩张时遭遇的工程延期和成本失控的问题。21世纪至今，美国只在佐治亚州建设了两个反应堆，耗时11年，成本高达351亿美元。中国组装一个反应堆只需要5到6年时间，比西方国家快一倍。中国做法是集中攻克少数、集中反应堆型号，这样可以简化审批环节，在反复建造中打磨施工流程，稳定供应链，提高效率，实现规模化。从地缘政治角度看，中国主导核电出口市场将实实在在地扩大全球影响力，因为与核电站所在国建立的深度联系将持续几十年。与此同时，中国不断突破边界，在新的核能技术上取得了美国和西方国家长期未能实现的进展，势头迅猛，包括核聚变。如果人类驯服了核聚变技术，那将是一场巨大革命，因为这种清洁能源几乎永不枯竭，且没有目前核裂变电站的堆芯熔毁风险，也不会留下放射性废物。

美国能否迎头赶上？

现在的问题是，在中国逐步领先时，美国还能迎头赶上吗？特朗普政府希望到2050年将美国核电装机容量扩大40倍，希望寄托于新一代反应堆技术。那么，美国有多大可能性重振过去几十年来逐渐萎缩的核电行业，恢复其国际竞争力？目前的答案并不明确。专家说，核电厂建设的上升需要持续，以满足2050年的净零排放目标，并最终帮助世界向可再生能源过渡。美国的方向确实是更加依赖商业公司创新。除了Kairos Power，还有好几家新创核能公司。Google、亚马逊、OpenAI这些人工智能巨头都在投入巨资到核能初创企业。美国自由资本主义模式与中国国家资本主义模式在核能领域的竞争态势已经形成。有可能出现的是，美国高科技公司资助下研发出大量小型轻便的反应堆，专门为AI数据中心供电，而不是政府支撑下的巨型核电站（这已是中国擅长的事情）。目前的竞争态势中，从工程师到高技能焊工，美国在大多数环节都处于下风。而且，新型反应技术的成熟需要时间，这段时间美国会进一步落后于中国。目前的估算是，在下一代反应堆的大规模部署能力上，中国已领先美国10到15年。这其实重复了太阳能电池板和电动汽车的剧情：美国发明了技术，中国将其规模化，随后掌控全球市场。

结语

好，各位，今天关于中美在核能领域‘龟兔赛跑’的话题就先聊到这儿。感谢大家的收听收看，欢迎大家以点赞、评论、转发、打赏、加入会员的方式给予鼓励。我们下期再见。