肥料與炸藥的距離：硝酸銨為什麼會爆炸，炸裂時該怎麼求生？

義大利南部每到新年，必要放煙火驅邪避凶。西西里島上，某家族經營的煙火工廠，隨著年關將近，如火如荼地籌措活動所需。2019 年 11 月 20 日，^[1]突然發生巨大爆炸。^{[1, 2]}該廠 20 年前的類似意外沒死人；這回可沒那麼幸運。^[1]

爆炸傷害

煙火以硝酸鉀（potassium nitrate）、煤粉（pulverised charcoal）及硫（sulphur）為主要成份。爆炸的時候，會壓縮空氣，並提高其壓力和溫度，產生殺傷力十足的爆炸波（blast wave）。^[2]爆炸傷害大致可以分成 4 類：^{[2, 3]}

• 第一類：爆炸波直接傷害充滿氣體的臟器，例如：肺部、腸胃道或中耳等。^{[2, 3]}若是太靠近源頭，或是爆炸的力道過強，則實心的內臟，像是肝臟與脾臟，也會受傷。^[2]
• 第二類：爆裂物本身或其他碎片造成的穿刺傷。^{[2, 3]}比第一類的傷害來得普遍，而且是爆炸事件中，最常見的死因。^[3]
• 第三類：爆炸波使人體位移而撞上東西，或者遭毀壞的建物結構壓到，導致鈍器損傷、腦震盪、穿刺傷和各類骨折等。^{[2, 3]}
• 第四類：吸入有害氣體、燒傷、輻射，或其他間接的環境傷害，以及心理衝擊。^{[2, 3]}

煙火工廠的死傷

西西里這家煙火工廠有16棟建物，編號 6 和 7 全毀；鄰近的8號著火；其他的所有建物，也遭到向周邊擴散的爆炸波衝擊，輕微損壞。7 名現場人員的創傷，涵蓋上述所有類型；其中死亡的 5 人，皆有至少 2 到 3 度燒傷。^[2]以下死傷摘要，整理自新聞報導，以及現場鑑識、解剖驗屍和 3D 電腦斷層等結果：^{[1, 2]}（請慎入超連結附圖。）

• 受害者 1：36 歲，男性；肺、肝、脾臟撕裂；肺部出血性水腫、急性肺氣腫；顱骨碎裂，右邊肋骨卡了建物碎屑，全身多處骨折；死於建物 6 和 7 附近。（照片）^[2]
• 受害者 2：23 歲，男性；多處骨折；建物碎屑侵入左顳頂骨、前腹壁及各處的皮下組織；頭、頸、腹部撕裂；四肢瘀青且燒傷；死於建物6和7附近。（照片） ^[2]
• 受害者 3：34 歲，男性；顱骨碎裂，內臟全毀，屍塊四散，遠過建物8。^[2]
• 受害者 4：71 歲，女性，即工廠老闆娘；^{[1, 2]}急性肺氣腫、急性支氣管腺泡出血；多處骨折，塑膠物嵌入左頂骨；在建物8旁，幾乎完全燒成焦屍。^[2]
• 受害者 5：39歲，男性；全身多處撕裂及燒傷，肺部出血性水腫、急性局部肺氣腫，右脛骨開放性骨折；^[註]送醫途中死亡。^[2]
• 受害者 6：工廠少東；^{[1, 2]}嚴重燒傷，輕微骨折，兩側耳膜穿孔，治療後出院。^[2]
• 受害者 7：嚴重燒傷，輕微骨折，治療後出院。^[2]

炸得面目全非，屍塊殘破的受害者 3，是所有死者中最難辨識的。於此情況下，DNA、指紋或牙齒都派得上用場。這個案件的鑑識團隊，靠死者父母提供的 DNA，比對身份。^[2]

還原事件

火災調查單位經過一番努力，還原事發過程：建物 6 到 8 的功能，分別是堆放成品、儲存染料與製造煙火。受害者 1、2、3 和 5，於建物 6 及 7 一帶，裝設新的拉門；其中受害者 3 在建物 7，焊接門軌的鐵製支撐結構。受害者 4，即工廠老闆娘，則從建物 8 的方向前來。另外，受害者 6 跟 7，也就是少東與一名工人，應該也在附近。 ^[2]

除了少數自殺案件，當事人把煙火塞進自己嘴裡；多數的煙火爆炸事故，起因於工作人員未受訓練，或者操作時沒遵守安全規定。^[2]正確的焊接環境，必須保持通風，移除或隔絕可燃物。^[4]這家煙火工廠依照相關法規施工，然而焊接的火花，卻還是引發爆炸，釀成5死2傷。也難怪司法單位一度懷疑，是勞資糾紛導致的惡意縱火，不過最後證據都指向意外。^[2]

備註

原個案報告在文章中，描述受害者 4 右脛骨骨折；但是根據其表格 1 和 2，那應該是受害者 5 的創傷。^[2]

參考資料

1. ‘Deadly fireworks explosion rocks Sicily’. (20 NOV 2019) Deutsche Welle, Germany.
2. Baldino G, Stassi C, Mondello C, et al. (2021) ‘Forensic investigative issues in a fireworks production factory explosion’. International Journal of Legal Medicine, 135, 1647–1654.
3. Jorolemon MR, Lopez RA, Krywko DM. (18 JUL 2022) ‘Blast Injuries’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
4. ‘Welding processes – Code of Practice’. (JUL 2020) Safe Work Australia.

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。

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