公司研究 | 美国X-Energy：模块化高温气冷堆与微反应器技术的全球引领者（上）

X-Energy是一家美国先进核能技术公司，成立于2009年，总部位于马里兰州罗克维尔。公司由伊朗裔美籍企业家卡姆·加法里安（Kam Ghaffarian）创立，他早年在NASA曾创办Stinger Ghaffarian科技公司并于2018年成功出售。加法里安博士并非传统核工业出身，但作为拥有计算机科学和工程背景的创业者，他致力于寻找零碳能源解决方案，创立X-Energy以推动先进核能商业化。2019年，美国能源部前副部长克莱·塞尔（Clay Sell）加入X-Energy担任首席执行官，进一步增强了公司管理层在核能政策和项目执行方面的实力。作为核反应堆与燃料设计工程公司，X-Energy专注于第四代高温气冷堆（HTGR）和配套燃料技术的开发。十余年发展中，X-Energy已从初创企业成长为先进核能领域的领跑者，正在引领小型模块化反应堆（SMR）产业的新方向。本文将从公司技术优势、融资状况、市场地位、未来发展前景以及面临的挑战等多个维度，对X-Energy进行全面分析和评论。

一、技术路线

X-Energy的技术产品线包括Xe-100模块化高温气冷堆、TRISO-X燃料技术以及Xe-Mobile微型反应堆。这三者构成了公司清洁能源解决方案的核心：Xe-100作为面向电网和工业的大功率小型模块堆，TRISO-X为其提供创新核燃料，Xe-Mobile则定位于机动部署的微反应堆。以下将对各项技术的结构设计、运行特性、适用场景与原理进行阐述。

1. Xe-100高温气冷堆：设计与特性

Xe-100是一种高温气冷模块化反应堆（HTGR），单台反应堆的热功率约200MWt，电功率约75–80MWe。Xe-100采用石墨基的球床堆芯，使用氦气作为冷却剂，属于第四代核能技术范畴。其核心设计特征包括：

模块化与可扩展：Xe-100反应堆采用模块化设计，一个标准电站由4台反应堆模块构成，总发电量约300MWe，可根据需求增减模块数量。模块化设计使电站建设可分步实施，降低单次资本开支，并允许灵活选址部署。每个模块都在工厂预先建造关键组件，现场安装周期较短，有利于成本控制和质量管理。
球床堆芯与连续换料：Xe-100的堆芯由约22万颗网球大小的燃料球（即石墨球床）填充。每颗燃料球内含数千个TRISO核燃料微粒，球体本身由石墨制成，兼作中子减速剂。在运行过程中，燃料球像口香糖球自动售货机中的弹珠一样，在堆内缓慢下落循环：新燃料球从顶部加入，燃烧殆尽的燃料球从底部卸出，如此实现不停堆的在线换料。这一设计避免了传统轻水堆需要停堆换料的中断，提高了堆芯使用效率和装机利用率。
高温氦冷却与发电：Xe-100以高纯氦气作为一回路冷却剂。氦气在堆芯受热升温至约750℃，然后通过换热器将热量传递给二回路水/蒸汽系统，用于驱动汽轮机发电或直接提供工业所需的高温工艺热。相比传统压水堆约300℃的工质温度，Xe-100的高温优势使其更适合用于制氢、工业蒸汽等非电应用，大大拓展了核能的用途范围。在负荷跟踪方面，高温气冷堆由于固有的热容量和惰性气体冷却剂，具备较好的调节性能，可与可再生能源搭配，平衡电网负荷。
固有安全性：Xe-100最突出的特点是其固有安全设计。首先，燃料采用高稳定性的TRISO颗粒，每个燃料微粒自带多层安全包壳，可耐受远高于正常运行的温度而不融化。其次，石墨堆芯具有巨大的热容和缓慢的动力学响应，使堆芯升温速率受限，即使发生冷却剂流失，堆芯温度也不会达到熔毁燃料的程度。此外，Xe-100依靠物理原理实现被动余热排散，不需要外部电源驱动的主动冷却系统。在最坏事故下，燃料球和堆芯结构可保持完整，不存在堆芯熔毁或大量释放放射性产物的风险。正因如此，美国能源部称TRISO燃料为“地球上最坚固的核燃料”。这种内在安全性极大降低了应急规划范围和公众安全顾虑，有望简化监管要求并提高社会接受度。

综上，Xe-100作为先进模块化高温气冷堆，将数十年高温气冷反应堆研发与运行经验融入设计。其连续换料球床堆芯、高温氦冷却和固有安全特性，使其能够同时提供电力和工业热能，适用于电网发电、远离水源的干冷地区供能，以及石化、冶金等高温工业应用。这使Xe-100在清洁能源市场上具有差异化优势，为脱碳提供一种安全灵活的基荷能源选项。

2. TRISO-X燃料技术：三重包覆颗粒燃料

TRISO（Tri-structural Isotropic）燃料是一种经过实证测试的三重结构各向同性包覆颗粒燃料技术，被誉为核燃料领域的重要突破。每一粒TRISO燃料的核心是一颗微小的核燃料芯——通常由氧化碳化铀（UCO）构成，直径不足1毫米，富集铀含量可达15%–20%（高浓低丰度铀，HALEU）。这一燃料芯被三层同心壳层包覆：内层与外层为多孔和高密度碳层，中间为坚硬的碳化硅陶瓷层。三层壳层将燃料牢牢密封，能够在极高温度下保持结构完整，防止裂变产物释放。换言之，每个燃料微粒自成“微型安全壳”。

X-Energy通过其子公司TRISO-X开发并制造专有配方的TRISO燃料。早在2016年，公司就在田纳西州橡树岭国家实验室建立了中试燃料生产线，为Xe-100提供燃料支持。TRISO-X燃料的优势在于其卓越的耐高温和稳定性：即使失去主动冷却，燃料微粒也不会熔化或释放大量放射性物质。这显著提高了反应堆的安全裕度。此外，TRISO燃料不采用传统的金属包壳燃料棒设计，而是制成小球并嵌入石墨基质中，例如Xe-100中的燃料球就是将上千颗TRISO微粒嵌入网球大小的石墨基球体内。这种形式使燃料与结构材料融为一体，消除了大量冷却剂流失事故下燃料棒裸露的问题。

为确保燃料供应自主可控、降低成本，X-Energy正在建设北美首座商用TRISO燃料工厂“TX-1”。该工厂位于橡树岭，规划年产最高71.4万颗燃料球。每颗燃料球含有数千颗TRISO微粒，年产量可支撑多座Xe-100反应堆的装料与补充。该项目获得了美国政府的大力支持：根据2022年《通胀削减法案》，X-Energy赢得了1.485亿美元的联邦税收抵免，用于TX-1燃料厂的建设。目前，美国核管理委员会（NRC）正审查TRISO-X公司为燃料厂申请的40年运营牌照，进展已完成约45%。按照规划，TX-1工厂将于2026年取得运营许可并投产，为Xe-100的初次部署提供燃料保障。例如，该燃料厂将支持道达尔公司德克萨斯Seadrift工厂部署的首批4台Xe-100反应堆燃料需求。TRISO-X燃料项目的推进不仅确保X-Energy自身反应堆有稳定燃料来源，也为未来其他先进反应堆（许多也采用TRISO燃料）建立了供应链基础。

3. Xe-Mobile微反应堆：结构设计与应用

除了面向电网和工业的大型SMR，X-Energy还开发Xe-Mobile微型反应堆，旨在提供3–5MWe级别的灵活发电能力。Xe-Mobile是一种可运输的小型核电源，设计初衷是为偏远地区和机动场景提供可靠、零碳的能源替代柴油发电机。其主要特点包括：

紧凑模块化：Xe-Mobile的整个反应堆系统被封装在可运输的模块中，足够小巧以便通过卡车、铁路乃至C-17军用运输机运送。这种高移动性意味着在需要快速部署电源的场景（如前线军事基地、偏远社区、灾区救援等），可以将反应堆运抵现场，短时间内安装启用。
一体化设计与安全：微反应堆采用固有安全设计，堆芯规模小且热输出低，便于通过被动方式散热冷却。虽然具体技术细节未全面公开，但可推测Xe-Mobile可能沿用了TRISO燃料技术以及高温气冷原理，确保在紧凑空间内维持安全运行。其燃料芯块可能是密封的固体结构（例如TRISO颗粒嵌入石墨基矩形块或圆柱）以避免频繁换料，预计单次装料可连续运行数年甚至十年以上。这样的长循环运行和少量燃料，使Xe-Mobile在现场无需频繁补充核燃料，后勤需求极低。
快速启停与自动控制：为适应军用或应急用途，Xe-Mobile设计上追求简化的启动与停止程序，以及高度自动化控制。目标是使非专业人员也能在短时间内启动反应堆并发电，同时在不需要时安全关闭并冷却，以便再次运输。小堆芯的热惯性较低，有助于实现这一点。
成本竞争力：X-Energy强调Xe-Mobile的目标是在远端供电成本上与柴油发电具有竞争力。这意味着考虑燃料、运维和前期投入摊销后，微堆提供的电力成本接近偏远地区柴油电站（当前柴油供电成本昂贵且受运输燃料限制）。一旦实现这一目标，对于通信基站、矿山营地、北极社区等靠柴油供电的场景，Xe-Mobile将极具吸引力，不仅削减碳排放，也降低长期能源费用。

Xe-Mobile项目获得了美国国防部的青睐。2019年，美军战略能力办公室启动“Pele项目计划”，招标开发可用于前沿基地的可运输微堆。X-Energy在初期设计竞标中胜出成为两家入选供应商之一，并于2022年向国防部提交了完整设计方案。2023年9月，国防部与X-Energy签署扩展合同，追加约1749万美元资金，支持其完善工程设计并制造原型反应堆。根据协议，X-Energy将借此机会优化Xe-Mobile设计、开展原型测试，并启动与美国NRC的预许可接洽，为未来在民用领域应用奠定基础。国防部希望，通过开发两种不同技术路线的微堆原型（另一家承包商为BWXT），未来可为军方提供多样化的小型核能方案，满足不同任务场景下的能源需求。

Xe-Mobile微反应堆的适用场景十分广泛。军方用途包括为前线基地供电、为电网瘫痪地区提供应急电力等；民用方面，可用于偏远村镇、岛屿、小型矿场、科研站（如南极科考站）等难以接入电网的场所。此外，由于其输出功率等级适中，也可用于大型数据中心园区等对可靠电源要求极高但不希望依赖化石燃料的用户。总之，Xe-Mobile通过创新的小型化核反应堆技术，实现了核能从集中式电站向分布式能源的拓展，代表了核能应用的新前景。

二、财务融资

X-Energy自成立以来，凭借政府支持与股权融资相结合的方式，构建了坚实的资本基础。下面按时间顺序梳理公司的融资历程、投资机构、资金用途及资本结构现状：

初创与种子资金（2009–2015）：公司由创始人加法里安博士提供初始资本启动。他通过此前企业成功退出获得的资金为X-Energy提供了早期运作支持。据报道，加法里安在2018年出售SGT公司后身家数亿美元，为X-Energy持续注资奠定了基础。这一阶段X-Energy主要投入概念设计和小规模研发，并寻求政府研发经费支持。
DOE先进反应堆研发资助（2016）：2016年1月，美国能源部通过先进反应堆概念合作协议向X-Energy提供了一笔为期五年的研发资助，金额最高达4000万美元。这笔经费用于支持Xe-100反应堆和TRISO燃料的研发工作。借助该项目，X-Energy在橡树岭建立了TRISO燃料中试线，并推进反应堆初步工程设计。
国防部早期合同（2019）：2019年，X-Energy获得美国国防部的资金支持，用于研究设计军用小型反应堆。虽然具体金额未披露，但这为Xe-Mobile微堆的概念验证提供了启动资金，表明公司技术开始引起军方兴趣。
高管加盟与战略投入（2019）：随着前能源部高官克莱·塞尔出任CEO，公司声誉提升并吸引更多私人投资者关注。在此期间，X-Energy可能进行了A轮融资，引入了战略投资者，但具体信息未公开。可以确认的是，公司在2020年前已获得来自创始人和少数私人来源的累计数千万美元投入，用于推进技术至试验阶段。
先进反应堆示范项目拨款（2020）：X-Energy的融资进入新阶段。2020年10月，美国能源部在先进反应堆示范计划（ARDP）中选定X-Energy为两家获奖企业之一（另一家为TerraPower）。根据协议，DOE将在5–7年内与X-Energy按1:1比例共担项目费用，联邦资金总额最高可达12亿美元。首笔8000万美元已于2020财年拨付。这笔巨额联邦资金旨在支持X-Energy在本十年末前设计、许可、建造并运行一座Xe-100示范电站和一座TRISO燃料工厂。ARDP资助是里程碑式的：联邦政府承诺承担项目大约一半成本，大幅降低了X-Energy融资压力。这使公司在无营收阶段即可推进数十亿美元规模的示范工程，从而吸引了更大规模的私募融资意愿。
B轮/战略融资（2021–2022）：借助DOE示范项目背书，X-Energy开始扩大股权融资规模，引入多元投资者。2021年至2022年间，公司陆续完成了新一轮私募增资（可视作B轮和部分C轮融资）。参与者包括加拿大安大略省电力公司（OPG）、美国核工程公司Curtiss-Wright、韩国大型工业企业斗山Enerbility和工程公司DLE&C等。这些战略投资者看重X-Energy技术与其自身业务的协同：例如，OPG作为加拿大主要电力公司，不仅投资还计划将Xe-100用于其工业减碳项目；斗山等韩国企业则有望参与制造关键设备。通过这一时期融资，公司获得了超过1亿美元的新资金（保守估计），用于完成Xe-100初步详细设计、开展NRC预审、选址准备以及燃料工厂设计。值得注意的是，2022年9月X-Energy与Curtiss-Wright签署供应链合作，后者不仅投资公司，还作为优选供应商开发氦气循环机、燃料装卸系统等关键设备。
拟上市与SPAC交易（2022–2023）：为大规模融资及股东退出安排，X-Energy于2022年12月宣布计划通过与特殊目的收购公司（SPAC）Ares Acquisition Corporation合并上市，交易对公司估值约20亿美元。Ares为知名资产管理公司旗下实体，此举原本有望为X-Energy带来数亿美元的上市融资。然而，由于2023年资本市场环境恶化，以及SMR行业出现负面事件（如首个SMR项目取消引发市场担忧），双方于2023年10月宣布中止SPAC合并计划。特别是，同年NuScale的旗舰项目因成本飙升而被搁置，冲击了投资者对新核电项目的信心。受此影响，X-Energy不得不调整融资策略并在2023年11月削减部分员工以控制开支。
Series C轮融资（2023年）：在SPAC折戟后，X-Energy迅速转向私募市场以弥补资金缺口。2023年12月，公司宣布完成Series C轮融资，总募资额达2.35亿美元。该轮融资由原有股东追加投资，其中Ares管理公司（即SPAC交易发起方）和创始人加法里安博士共同贡献了最后8000万美元。其他参与C轮的投资者包括前述OPG、Curtiss-Wright、韩国DLE&C和斗山等。值得关注的是，此轮融资中公司将部分未偿可转债转股，表明此前可能通过可转债方式获得过过桥资金。Series C资金主要用于继续推进示范项目工程和开展NRC许可活动，确保Xe-100和燃料工厂项目按计划进展。完成C轮后，公司股权结构中，创始人通过其投资公司（IBX等）仍保持重大股份，Ares成为重要财务投资者，OPG等战略股东占据一定比例股权。X-Energy董事长加法里安表示，各类投资人的支持结合公司技术优势和客户合作，将帮助公司兑现增长战略。
Series C-1扩大战略融资（2024–2025）：2024年，公司启动了新一轮战略融资（可视作C轮的扩展或C-1轮），并在当年10月迎来了重量级投资者——亚马逊公司。亚马逊以其气候承诺基金领投了约5亿美元，对X-Energy进行股权投资，并带动其他投资方跟进。2024年10月16日发布的公告显示，X-Energy本轮融资总额约5亿美元，由亚马逊领投，Citadel对冲基金创始人肯·格里芬、Ares管理公司、NGP能源资本以及密歇根大学等共同参与。资金将用于完成Xe-100详细设计和NRC取证、建设橡树岭TRISO-X燃料工厂第一阶段，以及未来项目部署。亚马逊投资背后的战略逻辑在于其自身对清洁可靠电力（如数据中心供电）的巨大需求。作为合作的一部分，亚马逊宣布与X-Energy合作在2035年前于美国各地部署超过5吉瓦的小型核电项目，这将成为迄今最大规模的商用SMR部署目标。其中亚马逊首先将直接投资华盛顿州Energy Northwest的Xe-100四堆模块项目（320MWe），并预留将该项目扩展至12堆（960MWe）的选项。这一大手笔凸显出大型用能企业对先进核能的兴趣，也为X-Energy提供了稳定的项目通道。

到2025年2月，X-Energy宣布C-1轮融资扩大至7亿美元。据报道，其中2亿美元在单笔交易中到位，显示有新的大额投资者加入。新增的领投方包括Segra资本管理公司（专注于核能的投资基金）、Jane Street资本（知名量化交易公司）、Emerson Collective（由乔布斯遗孀劳伦娜·鲍威尔创建的投资机构）等。先前提及的亚马逊气候基金、肯·格里芬和密歇根大学等在早期轮次进入的投资者也被列为重要支持者。这一轮扩张使得X-Energy自创立以来的股权融资总额显著提升，公司累积获得的股权+政府资金已超过15亿美元（包括DOE承诺的成本分担资金）。伴随本轮融资，公司估值进一步提高，业内分析认为X-Energy在先进核能初创公司中资本实力名列前茅。这也巩固了其资本结构：目前公司股东涵盖创始人及管理层、战略产业伙伴（如OPG、柯蒂斯-ライト、斗山等）、大型金融投资者（Ares、Segra等）、企业投资者（亚马逊）以及高净值个人（肯·格里芬）等，股权相对分散而均衡。这种多元股东背景为公司提供了不仅限于单一国家的资源网络——例如，加拿大OPG带来当地市场支持，韩国股东提供供应链和制造合作，亚马逊与Dow这样的客户型投资人则直接提供项目落地场景与长期购电需求。
资金用途与财务状况：X-Energy迄今筹集的资金主要投入于技术研发、工程设计和基础设施建设。具体而言：（1）研发设计：包括Xe-100详细设计分析、堆芯模拟验证、材料测试、燃料制备工艺改进等；（2）许可与安规：支付核安全审查、法规合规和咨询费用，加速通过美国NRC和加拿大CNSC等监管审批；（3）示范项目建设：在华盛顿州和德克萨斯州开展示范电站的选址、环评和初步工程准备；（4）燃料工厂建设：橡树岭TRISO-X燃料设施的园区购置、工程设计和设备采购等；（5）营运资金：维持数百名员工的技术团队和管理运营。随着近年大额融资到账，公司财务状况稳健，现金储备足以支撑未来数年内的重点项目执行。然而，先进核能项目资本密集且回报周期长，X-Energy在商业化营收产生前仍将依赖外部资金支持。幸运的是，政府拨款、税收优惠（如1.485亿美元燃料厂税惠以及强大的投资者联盟，为其提供了多重财务保障。

总体而言，X-Energy从早期政府资助起步，逐步吸引战略和财务投资者，融资规模不断扩大。当前的资本结构体现出“政府+产业+金融”三轮驱动特征：政府提供示范补贴降低风险，产业伙伴投资确保技术契合市场需求，金融资本注入则加速商业化扩张。这种良性循环让X-Energy在先进核能赛道中占据资金和资源优势，为其后续全球化布局和商业运营奠定了坚实基础。(待续）

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