富蘭克林誕辰｜科學史上的今天：1/17

從各種大考的考古題中，我們都能發現「時事」在自然科的重要性，在 108 課綱中，又更強調閱讀素養，重視課程知識與生活概念的結合，可想而知，社會上發生的各種重大事件都有可能融入成為考題。今年（112 年）的國中教育會考，自然科的考題中就拿了三年前的一則真實事件當作考題（圖一），讓學生進行判讀！

這個事件發生在 2020 年三月，俄羅斯一名網紅舉辦泳池生日趴，將 25 公斤的乾冰直接倒入泳池製造氣氛，結果不幸釀成 3 死的意外。這則新聞在社會大眾眼裡可能只是個不幸的意外，但是在自然科教師的眼裡，卻是同學們需要了解的知識，更是個出考卷的絕佳考題（只是沒想到隔了三年才考出來）。

科學生的閱讀任務裡面，搭配八年級上學期的文章「國中理化告訴你：為什麼不該在派對上，將 25 公斤乾冰丟泳池？」（圖二），就針對這個事件做了介紹與科學原理的分析：乾冰的升華、大量二氧化碳對於人體的危害作用機制等，等於同時用理化與生物課程的角度來對事件進行簡單、國中生能夠理解的介紹。

雖然這次的考題主要概念，是希望同學們根據空氣的組成成分來進行分析。但如果能對這個事件更有熟悉感，也了解生活時事大概會用哪種方式融入考題，相信碰到類似題型時，就更容易輕鬆作答啦！

今年（112年）的國中教育會考，自然科的考題裡面，由第 43、44 題構成的題組（圖三），設計上包括較長的題幹敘述、圖片與表格，顯然是要考驗學生的閱讀與圖表判讀。主題內容則是兩個嶄新時事議題的結合──燕麥奶和碳排放。

第 43 題的考點出自於七上的營養，第 44 題則考跟生物、理化、地科都有點關聯的碳排放，這出題方向相當符合 108 課綱所強調的，學生所學的知識概念必須能夠跨科進行統整。

相比之下，43 題只要記得糖會分解成醣，而蛋白質會分解成胺基酸，就能回答；但 44 題碳排放的概念，同學們可能熟悉度較低。幸好，只要讀懂圖表，也看懂題幹沒有被繞暈（問固定碳排量下能生產的量，所以是碳排最低的杏仁奶生產量最多），還是能夠回答。

延伸閱讀：燕麥奶為什麼這麼好喝？如牛奶般微甜、絲滑的口感是怎麼來的？——解析燕麥奶的加工原理

在科學生的閱讀任務裡面，也提供了許多最新時事與課程結合的閱讀練習，例如：題組中的燕麥奶與碳排放議題。透過練習，可以降低同學們對陌生內容、長篇文章的恐懼感，並且逐漸了解科學文章的構成，而能更快抓住文內的重點。

想要進一步了解更多內容的話，閱讀任務內也有連結可以直通 PanSci 泛科學的原文。透過科學生的閱讀練習，訓練了素養能力，更提升了會考成績。

隨著核電廠陸續退役，台灣也逐漸邁向零核家園，郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進，但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話，或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼？它安全嗎？再者，它真的是核電的未來嗎？

實際上已經有人成功運行小型核電廠，並且已經併網發電了，他們是怎麼做到的？

小型核電廠是什麼？

台灣現在僅存，還在運作的核電廠就是核三廠，核三有兩部機組，每個機組的發電量大約為 950MW。

小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR（Small Modular Reactor），發電量通常在 20~300 MW，比一般核電廠小上許多。還有甚至更小，發電量 1～20 MW 的 MMR（Micro Modular Reactor）的反應爐。

奇怪，發電量怎麼越發展越小了呢？這樣不就得要蓋更多核電廠？

小型核電廠的特點就是小發電量，因為這能創造三個優點：安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險，為什麼還要用？

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了，但至今全世界的發電量中，核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

就算撇除安全性，漫長的建設時間與昂貴的發電成本，是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF（彭博新能源財經）的調查，從 2009 年到 2021 年，12 年間核能的建設成本增加了 36%；加上核電廠動輒 5～10 年的建設時間，就算核能是屬於低碳排的發電方式，大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點，那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量，反之核能屬於基載電力，本來就與風力、太陽能定位不同。

小型核電廠如何克服安全性？

要好要快也要便宜，除了穩定與低碳，還想要兼顧安全跟造價低的核電，小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎？

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字，小！只要夠小、功率降低，反應爐就不會一口氣釋放太多的熱，甚至能免除外部冷卻設備，靠自然循環降溫。

福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池，導致冷卻系統失效，最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高，將水分解成了易燃的氫氣，產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴，靠自己就能降溫，就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例，在他們發展的 60MW 反應爐中，含有 37 個燃料束，整個反應爐高約 17.8 公尺，直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造，透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來，大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐，一次冷卻劑藉由熱對流上下循環，完全不需要幫浦，減少停電時產生的風險，一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑，讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

如果真的遇上斷電事故，反應爐也有緊急冷卻系統，直接將整個反應爐泡在大水槽中；根據計算，水會在 30 天後完全蒸發，而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下，只要靠空氣循環就能穩定溫度。

中國的小型核電廠是怎麼做到的？

而現在，在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了！2021 年年底，中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電，發電功率 200MW，雖然發電廠的總體積不小，但以它的發電功率及主打安全的設計，是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」，指的是流經燃料棒，充當冷卻劑與熱交換的材料，所使用氣體如：氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好，也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險，故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐，高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應，也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子，加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性，如果真的遇到失去電力的情況，整個反應堆的溫度，也會穩定在 1600℃ 上下。

除此之外，石島灣核電廠的設計十分有趣，是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中，燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球，兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心，外頭則是作為中子減速劑的石磨；作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量，燃料球可從下方取出，並從上方填充。

不過，高溫氣冷堆能否成功，還需要許多時間觀察，例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂，都是需要進一步注意的。

小型核電廠的未來？

除了中國外，各國也都在發展不同形式的 SMR，甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐，以及核能公司 Radiant，它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR，希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

不論是小型還是微型核電廠，除了技術還有待發展，成本是否能壓低，也是個重要指標。當然，還有另一個大魔王，就是核廢料問題，還等著被解決。

根據研究推算，NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5～30 倍不等，球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計，核廢料的體積也是明顯可見的變大，而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！

「沙贊！」然後一道閃電就會打下來，擊中一位青少年，瞬間變成一位穿著紅衣+披風、渾身肌肉的（中二）成年人，這就是 DC 宇宙中，超級英雄沙贊的變身過程。

很有趣的是，大家可以回想一下，最近這 10 幾年來席捲世界的漫威和 DC 英雄，絕大部分執行英雄行動前都是進行「著裝」，例如鋼鐵人、蝙蝠俠、美國隊長……等，但是沙贊不一樣，儘管不複雜，但他需要一套特別的手續來改變他自己的身體，已獲得他身為超級英雄的力量，這點跟日本的超人力霸王比較類似。

根據 DC 宇宙的設定，賦予沙贊力量、讓他變身的閃電都來自神界的奧林帕斯山，只要他大喊一聲，閃電就會隨傳隨到，而因為一切是神力的關係，理論上他接收力量的位置無關緊要，也非常的安全。

真不愧是奧林帕斯山啊！如果我們能夠在比利（電影中變身成沙贊的少年）的頭上裝一個收集閃電能量的器材，那費城一定變成全美國能源最豐沛的城市。

但是要進行超級英雄活動，普通的閃電能量夠嗎？這道奧林帕斯山的閃電會不會是一道超越人類認知的超級閃電呢？

還有儘管沙贊不會受影響，但如果有人不小心在變身時不小心碰觸他或在他附近，會發生什麼事呢？

這真的值得一起來探討～

先定立標準：閃電能提供多少能量？

閃電是大自然中最純粹的能量展現之一，經過大氣學家的觀測和預估，一道閃電電壓大概是 3 億伏特，帶有 10 億焦耳的能量，這差不多是燃燒 30 公升左右的汽油。

聽起來非常的厲害，那我們利用閃電來獲得能源會不會是個好方法？

其實從 1980 年代開始科學家就有這種想法，但是他們發現這其實很不切實際，主要原因有幾個：閃電很難預測、傳導到地面上能量又會大減、效率很不穩定……但那是大自然的閃電，讓沙贊變身的可是充滿神力的閃電耶！不只能夠提供沙贊穩定且高能的能量來源，還可以藉由跟蹤比利知道閃電的位置和時間。

我們只要把比利抓起來請出來，跟他預約時間大喊沙贊，就可以發電了～

現在的問題是……這道閃電有多少能量呢？

要知道一道神奇閃電帶有多少能量其實有點困難，因為一旦比利變身之後，他似乎沒有時間限制，不像超人力霸人那樣有 3 分鐘的活動上限，後者會比較好估算是因為你可以設想這 3 分鐘內超人力霸王做了哪些事情，在逐一拆解。

所以筆者覺得最能夠執行的方式，是羅列出電影中沙贊一次變身基本上會做到的事情，這樣結果應該就足夠是神力閃電的基本盤。

從電影《沙贊！眾神之怒》中，筆者列出幾個沙贊在超級英雄狀態時做的事，包括:

1. 以音速飛行 10 分鐘
2. 把一隻體型巨大的飛龍打飛 10 公尺
3. 把一台車移動 200 公尺
4. 從手中放出好幾道像特斯拉線圈的能量閃電

這樣感覺差不多了吧……等等～還有一件很重要的事，就是這道閃電同時還把一名 17 歲的青年變成一名看起來 30 歲的成年人，這瞬間成長所需的誇張能量應該也要算進閃電的功勞裡，所以這個列表還要加進另一項:

5. 讓 17 歲的青年成長成 30 歲男性的所需熱量

那我們接下來可以逐一估算了。

• 那首先就來計算成長所需的熱量吧！

要讓人成長的能量，其實也是熱量，也就是大家耳熟能詳的卡洛里，1 千大卡的熱量差不多是 4184 焦耳的能量。

根據衛服部提供的資料，一名成年人每日所需的熱量依他的活動量和體重來決定，那沙贊毫無疑問絕對是重度活動量那一類的，體重的話少年比利看起來介於 60~70 公斤之間，而飾演沙贊的演員柴克萊威曾說為了演戲需要增重到超過 90 公斤，雖然隨著體重增加每日所需熱量也會不同，但為了簡單估算，我們姑且用 80 公斤算到底吧～

比利瞬間成長為超人般壯碩所需能量= 40 大卡 x 80 公斤 x 365 天 x (30-17) 年 x 4184 J= 6.35x 10¹⁰ 焦耳 = 635 億焦耳

這數字怎麼已經有點大了……但在吐槽之前，我們先把其他的所需能量都估算完吧～

• 以音速飛行 10 分鐘

這裡我們借用四分之一英里估算法，這是個可以從物體重量（通常是車子）和行駛四分之一英里所需的時間來求得功率的簡單方式。

沙贊體重 90 公斤，而他在音速下完成 1/4 英里所需的時間為 1.2 秒，根據線上工具估算，這名英雄相當於擁有 22,876 馬力，轉化為瓦特差不多是 1700 萬瓦特，如果沙贊要飛行 10 分鐘，他就會需要大約 100 億焦耳的能量 。

• 把一隻體型巨大的飛龍打飛 50 公尺

這個計算方式並不困難，就是簡單的做功運算，但是筆者遇到了很嚴重的問題：電影中的飛龍-拉頓到底多重呢？

經過一番搜尋，網路上對於一條中世紀奇幻飛龍到底有多重幾乎是沒有定論，看起來好像沒有人有認真算過，所以筆者打算自己來操刀，解決這個世紀大謎題 (?)。

有看過《空想科學讀本》的人對筆者使用的方法一定不陌生，就是把模型浸到水裡面，估算體積之後放大，再考慮密度來求得飛龍的體重。

所以筆者到了地下街的玩具店，買了一條看起來最像電影中奇幻飛龍體型的模型玩具（其實是動漫《轉生成為史萊姆》的公仔，似乎是主角後期的樣子吧？筆者沒有看不清楚~），將它放進水盆裡面裝水，做好水位標記之後取出模型，水位下降之後從水盆的面積和下降高度求得玩具龍的體積大概是 0.000283 立方公尺，這時我們需要玩具龍的身長和電影中的拉頓身長來做等比放大，玩具龍身體差不多是 25 公分，而從電影中拉頓站在棒球場內野的畫面來做估算，它的身長大約是 25 公尺，身長差 100 倍，所以體積會變 100 的 3 次方也就是 100 萬倍，所以說拉頓的體積大概是 283 立方公尺。

這時我們需要拉頓身體的密度來求得體重，如果拉頓是生物的話，它的身體密度應該也要接近水（每立方公尺 1000 公斤），例如人體的密度就差不多是每立方公尺 1062 公斤，但是電影中拉頓身體看起來有點像是由木頭構成的，而世界上最堅硬的木頭是澳洲鐵木樹（Australian buloke）密度是 1085 kg/m3，再加上龍的奇幻性質，我想把拉頓的身體密度定為 1100 kg/m3 應該是還可以接受的吧？

如果用這個方式估算，電影中看守花園的飛龍拉頓，體重大概會是 311 公噸，我們套入物理課本中看過的做功計算公式，可以知道沙贊把一條龍打飛 50 公尺所需要的能量，大概會是 7775 萬焦耳。

• 把一台車移動 200 公尺

相較前面兩個，這計算相對簡單一點，我們一樣用上面的作功公式來求需要能量，而我們需要的就是車子的重量。根據統計，美國一般路上的車子平均重量為 1800 公斤，如果要在 3 秒鐘內移動 200 公尺，就相當於需要 4 百萬焦耳。

• 從手中放出好幾道能量閃電

沙贊從手上放出閃電，看起來就像是電弧的一種，而電弧是因為有強大的電場或高壓電存在，使的原本不導電的物質電漿化得以使電流通過的現象，而說到能夠最穩定產生電弧的狀況，筆者第一個想到的是在現實中會看到的特斯拉線圈。

特斯拉線圈是一種由知名物理學家特斯拉發明的強大變壓器，這種變壓器使用共振原理運作，主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力，因為特斯拉線圈可產生絢麗的電弧效果，所以很常在一些科學博物館或展示中看到，而世界上最強大的特斯拉線圈： Electrum 的能量使用率為 130,000 瓦特，假設沙贊能夠用同等功率放出電弧長達 10 秒鐘，就會需要 130 萬焦耳的能量。

這下子我們需要的數字都有了！

這道神奇閃電所附帶的能量大約是：

635 億（變成大人）+100 億（音速飛行 10 分鐘）+7775 萬（打飛一條龍）+400 萬（移動一台車）+130 萬（放出閃電）= 735 億 8305 萬焦耳

 而正常世界一道閃電的能量大約是 10 億焦耳，也就是說～這道神奇閃電差不多是等於 74 道現實中閃電的能量。

好厲害啊！真不愧是奧林帕斯的眾神，能夠這麼精準的傳遞如此巨大的電能量根本就是神蹟…..也確實是神蹟沒錯～

但是如果一個不小心承接這道能量的人不是沙贊的話，會發生什麼事呢？

一般人被普通的閃電擊中就已經不是鬧著玩的了！

直接被閃電擊中的人會成為電流的一部分，一部分電流會沿著皮膚表面移動，另一部分會穿過身體的心血管或神經系統，前者會對皮膚造成灼傷，後者則有可能造成呼吸停止或心臟驟停，但我們還是能找到一些歷史上從雷擊中生還的故事，因為有沒有辦法在雷擊中活下來是跟就醫和電流通過體內的時間而定……運氣好的話，你不會死的。

但是在沙贊的神奇閃電面前，這一切都成為笑話。

這道 735 億焦耳的閃電能量相當於 2 顆歷史上最強大非核子炸彈：炸彈之母（GBU-43/B 大型空爆炸彈）爆炸所釋放出的能量，所以如果今天好死不死沒有打在比利身上，而是擊中地面的話，後果一定不堪設想，周遭的親友絕對是灰飛煙滅，費城可能會變成廢墟，之前說的收集能量可能完全行不通，因為應該沒多少設備儀器能夠承受如此巨大的威力。

反倒是比利啊~你是不是在承接沙贊能力時同時被改造了，被2顆炸彈之母轟炸都沒事，真是太神啦！還有就是一定要站好喔～