哎呀！他的魚雷跳過我的防線啦！——打水漂的原理與應用

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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近年來，氣候變遷已經變成一個眾所皆知的熱門話題，不僅影響著我們身處的自然環境，以及人類生活，也對生物的繁殖、生長、分布等造成衝擊。不過，今天我們沒有要討論海平面上升、極端天氣等這些巨觀環境的改變，而是要來談談或許你我體內都有的——寄生蟲。

提到寄生蟲，大家比較熟悉的或許是蟯蟲、蛔蟲等，有機會寄生於人類體內的寄生蟲，而自然中許多物種之間也有寄生關係，但這與氣候變遷有什麼關係呢？

有許多研究顯示，氣溫升高會導致寄生蟲爆發事件增加，也有些研究說寄生蟲在高溫下的表現比宿主好，因此暖化可能會造成相關疾病越來越嚴峻，後來也衍生出「地球越溫暖，流行病越多」的假說。

寄生不是哩想ㄟ那麼簡單

俗話說：魔鬼藏在細節裡。腹肌藏在脂肪裡。

如同在生物課本裡學過的，寄生關係是生物間的交互作用，一種生物寄居在另一種生物的體表或體內，獲取營養得以生存、繁殖，所以也並非只有寄生蟲的事，和宿主的生理也有很大關係。找到溫度升高會影響寄生過程的哪些步驟，以及背後的機制怎麼運作，是了解氣候變遷對寄生關係影響的關鍵。

近期發表在英國皇家學會《自然科學會報》（Philosophical Transactions of the Royal Society B）的一項新研究就發現，溫度能夠調節寄生真菌在宿主水蚤體內的感染機制。

這個研究由臺灣大學氣候變遷與永續發展學程助理教授孫烜駿與美國密西根大學研究團隊合作，利用暖化實驗觀察水蚤和真菌之間的寄生關係。

他們將一種水蚤 Daphnia dentifera 作為實驗物種，水蚤平常吃藻類等浮游植物，然後也會被更大的捕食者吃掉，因此水蚤在淡水食物網中扮演著重要角色。而今天的另一個主角 —— 寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata ，則是一種會感染多種水蚤的酵母菌。

那水蚤是怎麼被感染的呢？

宿主與寄生真菌之間的攻防戰

水蚤在濾食水中浮游植物時，寄生真菌的孢子可能會一起被牠吃進去，這時感染過程就開始了（水蚤表示：窩⋯⋯窩不知道QQ）首先，寄生真菌的針狀孢子需要先刺穿水蚤的腸道上皮細胞，才能進到體腔內開始發育、繁殖，感染初期有些水蚤還可能痊癒，否則就會進到最終感染階段，一旦水蚤體腔內充滿寄生真菌的孢子或孢子囊，便不可能康復，最終走向死亡，之後下一代孢子釋放回環境中，再被新宿主吃掉，完成感染週期。

也不是所有被吃進去的孢子都能夠成功感染宿主，必須要經過重重關卡，畢竟水蚤也不是吃素的（好啦水蚤真的吃素沒錯 XD）

而兩道最重要的關卡就是「物理屏障」與「細胞免疫」。

物理屏障是一種常見的防禦形式，例如我們的皮膚和植物的角質層，在水蚤與寄生真菌的感染過程裡，腸道上皮細胞就是抵抗孢子進入體腔的物理屏障，像是一道能夠抵抗外來敵人的城牆。

但如果孢子還是順利進到水蚤的體腔內，細胞免疫就像一支軍隊，免疫細胞士兵們會聚集到被感染的部位，開啟防禦模式，共同抵禦外敵，也就是前面提到的，有些剛被感染的水蚤有機會康復的原因。

暖化之下，寄生關係會怎麼樣

研究團隊想知道：溫度對物裡屏障和細胞免疫的影響，以及會不會影響最終感染的機率。

因此他們把水蚤放到 20°C 和 24°C 下的環境飼養，為甚麼是這兩個溫度呢？

根據先前研究，20°C 是適合水蚤生長繁殖的溫度，而 24°C 則是來自 2100 年氣候變遷預測下的平均溫度變化，自西元 1985 年起，夏季的湖面溫度以每十年 0.34°C 攀升，到本世紀末預計上升 4°C。

並將不同溫度下飼養的水蚤，分別放入有寄生真菌和沒有寄生真菌的環境，總共四種環境條件的組別。

1. 實驗組：24°C，沒有寄生真菌
2. 實驗組：24°C，有寄生真菌
3. 控制組：20°C，沒有寄生真菌
4. 控制組：20°C，有寄生真菌

接著，為了知道感染初期的情形，針對有寄生真菌的組別，研究團隊在放入真菌 24 小時後，用複式顯微鏡觀察，檢查水蚤腸道和體腔內是否有孢子，以及孢子的數量。

那要怎麼知道物理屏障和細胞免疫的防禦效果呢？

如同前段提過的，我們將作為物理屏障的腸道上皮細胞想像成城牆，免疫細胞想像成軍隊，而寄生真菌的孢子是試圖入侵的外敵。

腸道的防禦力便是用「後來在體腔內的孢子數」與「所有試圖刺穿腸道上皮的孢子數」相除；也就是「進到城牆內的敵人數」除以「所有一開始來城牆外攻擊的敵人數量」。（編按：每一百個攻擊城牆的敵人，會有多少人突破城牆的防禦進到牆內）

除此之外，團隊也觀察在不同溫度下水蚤腸壁上皮的厚度，畢竟城牆的厚度可能是防禦的關鍵。

而細胞免疫則是以「前來支援的免疫細胞數」除以「體腔內的孢子數」計算，可以想像成一個敵人需要幾個士兵一起抵抗。

除了兩道關卡的抵禦能力外，為了解水蚤的健康狀態，研究團隊紀錄牠們在感染後的死亡率和繁殖力。

溫度影響的不只是寄生關係

實驗結果發現，較溫暖環境下的水蚤腸壁上皮細胞比控制組厚，但腸壁是越厚越好嗎？

另一個結果顯示，其實較厚和較薄的腸壁上皮細胞，比較能抵抗寄生孢子的攻擊，反而是有中等腸道厚度的水蚤防禦孢子進入體腔的能力較弱。

而關於細胞免疫，則發現隨著成功進入體腔的孢子數量增加，附著在孢子上的免疫細胞總數也跟著增加，但在較溫暖環境下飼養的水蚤召集來的免疫細胞，比控制環境下來得少。也就是說，越多敵人入侵，軍隊會募集越多士兵來共同對抗，但在溫暖環境下召來的士兵較少。

那物理屏障和細胞免疫之間有什麼關係呢？

在 20°C 下，腸道上皮細胞越厚，每個寄生孢子所需要的免疫細胞數就越少，這似乎蠻容易理解的，若城牆越厚，軍隊火力就不需要太強，反之亦然。

但在 24°C 卻看不到同樣的趨勢，我們知道的只有在溫暖環境下，同樣腸道厚度免疫細胞仍比控制組少。

最後，不論是繁殖力還是存活率，都是在溫暖環境下被感染的水蚤敬陪末座。

從這個研究，我們可以得知，溫度上升不僅會改變宿主的物理屏障，也會影響細胞免疫，進而改變寄生真菌對水蚤的感染結果。在更了解溫度影響寄生關係中的哪些關鍵特徵和結果後，便能預測在暖化環境中，宿主與寄生蟲之間的交互作用，以及所導致的後果。

參考文獻

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