Мирный атом для данных: грядёт ядерная революция в дата-центрах

С тех пор, как учёные в 1938 году осуществили первое ядерное деление, эта разновидность энергетики пережила циклы надежд, опасений и переосмысления. Первоначальный оптимизм, отражённый в речи президента США Эйзенхауэра «Атомы за мир», сменился опасениями времён холодной войны, а затем и стагнацией после громких аварий на Чернобыльской и Фукусимской АЭС. 2000-е годы стали низшей точкой, поскольку страны начали поэтапный отказ от ядерного оружия, а многие страны от атомной энергетики. Однако сегодня общество стоит на пороге новой ядерной эры, движимой не столько отдельными правительствами, сколько ненасытными энергетическими потребностями центров обработки данных.

Крупные компании быстро скупили всю доступную энергию крупномасштабных реакторов, в результате чего многие в этом секторе ищут более компактные решения для удовлетворения своих амбиций. То, что начиналось как видение Эйзенхауэра «атомы во имя мира», превратилось в гонку XXI века за «атомы во имя данных», поскольку энергетические потребности искусственного интеллекта меняют роль ядерной энергетики в мире. Для разработчиков, сталкивающихся с беспрецедентным спросом на энергию со стороны центров обработки данных, использующих искусственный интеллект (ИИ) малые модульные реакторы (ММР) представляют собой привлекательную концепцию так как потребление электричества, по прогнозам Международного энергетического агентства, к 2030 году, удвоится и достигнет 945 ТВт·часов.

ММР представляют собой миниатюрные реакторы ядерного синтеза мощностью от 1 МВт до более чем 450 МВт. В настоящее время в мире разрабатывается более 127 подобных различных проектов, предлагающих широкий спектр генерации электрической мощности и типов реакторов. Конструкции их существенно различаются, при этом основное разделение проходит между реакторами третьего поколения, основанными на миниатюрных версиях современных легководных реакторов (LWR), и реакторами четвёртого поколения, которые включают в себя концепции охлаждения с помощью натрия, свинца, расплавов солей или газа.

В отличие от новинок, в конструкциях реакторов третьего поколения используются проверенные технологии и надёжная цепочка поставок топливных компонентов, но они не могут быть уменьшены до самых маленьких размеров. Большинство из них находятся в верхней части диапазона мощности малых модульных реакторов, достигая на выходе 470 МВт.

А вот реакторы следующего поколения применяют усовершенствованные виды топлива и теплоносители, которые обеспечивают более высокий уровень безопасности, больший потенциал тепловой эффективности и многоцелевое применение. Благодаря совершенно новым конструктивным инновациям, эти устройства позволяют масштабировать их до очень малых размеров, с выходной мощностью даже меньше 1 МВт. Кроме того, новым является и модульный подход частного сектора к этой концепции, основанный на заводском производстве, который может значительно снизить затраты, сократить сроки строительства и уменьшить политические риски.

Для владельцев новых дата-центров это делает малые модульные реакторы потенциальной находкой, предлагая надёжный, управляемый и гибкий источник энергии с плотностью энергии, значительно превышающей другие углеродные или возобновляемые альтернативы. Например, теоретически самые малые модульные реакторы могут вырабатывать примерно в 150 раз больше энергии на квадратный метр, чем солнечные панели на крышах зданий в самых солнечных локациях. Несмотря на то, что до коммерциализации в таких, сравнительно небольших масштабах, ещё далеко, но перспективность этого направления уже привела к тому, что операторы ЦОД активно заключают предварительные сделки с разработчиками ММР для обеспечения своих будущих потребностей.

«Equinix» — это, образно говоря, универсальный игрок в секторе дата-центров, управляющий, как розничным бизнесом по размещению оборудования, так и гипермасштабным подразделением «xScale». Двойная структура компании создала уникально разнообразный профиль спроса на электроэнергию, от небольших площадок мощностью в один мегаватт вблизи городских районов до объектов, потребляющих сотни мегаватт на огромных территориях, отнесённых от мегаполисов. В результате компания сталкивается с серьёзной проблемой: поиском достаточно гибкого источника энергии для обеспечения электроснабжением более чем 270 действующих объектов. Проблема усугубляется затянувшимися сроками подключения к общим сетям. Для решения этой сложной задачи компании потребовался набор новых энергетических инструментов, включающий в себя целый ряд технологий, адаптированных к особенностям каждого объекта, в соответствии с действующими ограничениями энергоподачи и охлаждения.

Однако, поскольку традиционные возобновляемые источники энергии не способны обеспечить стабильную базовую нагрузку, а многие генерирующие источники по-прежнему зависят от природного газа, Equinix все чаще обращается к малым модульным реакторам, как к возможной панацее для удовлетворения своих долгосрочных энергетических потребностей. Более того - эта компания, диверсифицируя риски, на сегодняшний день заключила соглашения как минимум с четырьмя различными разработчиками ядерных технологий. Примечательность этих сделок заключается не только в их масштабности, но и в разнообразии типов реакторов, что отражает потребность в различных вариантах энергоснабжения. Речь идёт о подборе подходящей технологии для подходящего контекста - микрореакторы хорошо подойдут для локального развертывания, в то время как более крупные малые модульные реакторы могут использоваться в гипермасштабных проектах.

В отличие от традиционных центров обработки данных, работающих со специализированным программным обеспечением, кластеры для обучения ИИ испытывают резкие, непредсказуемые скачки потребления, что требует стабильного, энергоёмкого и постоянно доступного источника питания. Поэтому очевидная и насущная потребность, усугубляемая ограниченными мощностями существующих электросетей, а также неспособностью возобновляемых источников энергии с переменной выработкой удовлетворять этим требованиям. Но тут есть ещё один немаловажный аспект - большинство традиционных источников (ТЭС ли ГЭС) обеспечивают инерцию за счёт вращающихся турбин, которые замедляют скорость изменения частоты при внезапном дисбалансе спроса и предложения. А малый модульный реактор может служить «амортизатором», благодаря тепловой инерции реактора. Графические процессоры в ЦОД для искусственного интеллекта работают с перебоями — им необходимы инерция, гибкость и стабильность. Именно это могут обеспечить реакторы, работающие на расплаве солей.

В этой конфигурации дата-центры с ММР могут стать, как производителями, так и потребителями, имея возможность подавать избыточную электроэнергию обратно в сеть, при необходимости. Это особенно важно в местностях, где многие устаревшие/изношенные энергосети находятся на грани перегрузки. Размещая надёжные малые модульные атомные электростанции в центре промышленных комплексов, можно создавать самодостаточные энергетические острова, объединяющие кластеры центров обработки данных и других энергоёмких отраслей.

Но что делать с площадками, расположенными ещё дальше от границы сети, где требуется более компактная и стабильная система для обеспечения работы исключительно за счёт собственного потенциала? Хотя в центре внимания оказываются гипермасштабные развертывания, в отрасли растёт мнение, что небольшие ЦОД, поддерживающие рабочие нагрузки для вывода данных, в будущем будут доминировать именно в пустынной местности, где потребность в регулируемом источнике базовой нагрузки никогда не была столь велика. Модель развёртывания может стать очень эффективна там, где целесообразно использование малых реакторов в меньших масштабах — например, для обеспечения промежуточных мощностей.

Перспективы малых модульных реакторов (ММР) неоспоримы, но пока существуют большие проблемы с коммерческим внедрением, начиная от разрешений регулирующих органов и заканчивая банковскими гарантиями финансирования. Хотя наблюдается неопределённость в регулировании для каждой страны в отдельности, стандартизация ММР может ускорить процесс лицензирования и технической экспертизы. Даже если малый модульный реактор получит одобрение регулирующих органов, возникнет ещё одно препятствие: финансирование.

Настоящая проблема для разработчиков заключается в капитале, необходимом для перехода от прототипа к стадии коммерциализации, где риск наиболее высок, а традиционные заёмные средства дефицитны. Ни один банк не возьмёт на себя технологические риски. Проектное финансирование малых модульных реакторов требует проверенных, надёжных технологий с заключёнными соглашениями о закупке электроэнергии для снижения рисков, связанных с денежными потоками проекта. Но даже после утверждения, финансирования и строительства реакторов разработчикам потребуется найти топливо, доступность и производство которого, по общему мнению, являются самым большим препятствием на пути успешной коммерциализации малых модульных реакторов.