核能概論　申論題歷屆試題與參考架構

中子與不同元素原子核的作用中，除了彈性散射與非彈性散射，另有輻射捕獲（Radiative Capture）、帶電粒子（Charged-Particle）生成及核分裂（Nuclear Fission）等反應。據此，請回答下列問題： （每小題 10 分，共 20 分）

（一）請詳述輻射捕獲的反應機制，並說明此反應為吸熱或是放熱反應。

（二）一般而言，帶電粒子生成反應多為吸熱反應，但某些輕核元素與中子進行的帶電粒子生成反應卻是屬於放熱反應，因而具有吸收低能量中子的特性。請以硼-10 同位素為例，完整寫出其與中子進行的帶電粒子反應式，並詳述此同位素於輕水式反應器運轉的可能應用方式。

（20 分）

我國核電廠採用兩種類型的輕水式反應器，分別為核一、二廠的沸水式反應器與核三廠的壓水式反應器。由於設計不同，兩種反應器在全功率運轉狀態下，汽機廠房區域的空間輻射劑量率差異甚大。

（一）相較於壓水式反應器，請詳述沸水式反應器運轉時汽機廠房出現明顯較高空間輻射劑量率的原因。（15 分）

（二）請詳述沸水式反應器停止運轉超過 30 分鐘後，汽機廠房的空間輻射劑量率即已明顯下降的原因。（5 分）

（20 分）

輕水式反應器運轉後的主冷卻水均含有不少放射性核種，如鈷-60、鈷-58、鉻-51、錳-54、鐵-59 及氚。其中，絕大多數核種可經水質淨化系統加以濾除收集，但氚無法由水質淨化系統濾除，必須透過冷卻水批次更換，將其移出主冷卻水系統。（每小題 10 分，共 20 分）

（一）請詳述沸水式反應器主冷卻水中氚的產生機制。

（二）比較發電功率相近的壓水式反應器與沸水式反應器，可發現壓水式反應器中氚的產出量明顯較高，請詳述其原因。

（20 分）

核一廠兩部機組的運轉執照均已到期，由於兩部機組的用過燃料池都已滿載，反應器爐心內的用過核燃料因此無法退出。核安主管機關行政院原子能委員會雖已核發除役許可給臺電公司，但因用過核燃料尚未退出，除役工作僅能從反應器周邊非運轉相關的組件設備開始進行。在室外乾式貯存設施無法啟用的情況下，用過核燃料從爐心移出的時間可能長達數年，考量必要的核能安全維護，核電廠應有的對應作為為何？（20 分）

（20 分）

微、小型反應器的設計開發是目前國際間關於未來核電應用的重點工作之一，歐、美、亞許多正在使用核電的國家都積極投入。根據國際原子能總署（International Atomic Energy Agency）的分類標準，發電功率在300 MWe 以下的核電機組都屬小型反應器，發電功率在 20 MWe 以下的機組則屬微型反應器。相較於全球為數甚多且發電功率動輒超過1000 MWe 的大型機組，小型反應器的功率大小不及其三分之一，而微型反應應器的功率則不及其百分之一，甚至千分之一不到。然而，國際發展趨勢如此，顯示微、小型反應器在應用上必有其優點。（每小題 10 分，共 20 分）

（一）請詳述小型反應器相對於大型機組的應用優勢。

（二）相較於小型反應器，微型反應器的發電功率更小，請詳述其相對於小型反應器的應用優勢。

（20 分）

已知 235 235產生之分裂數，B 為燃耗（MWd/MTU） ，E 為初始 235 92U濃縮度（wt%），請寫出ϕ 與 B 及 E 之間的關係式。（20 分）

（20 分）

（一）請解釋核燃料衰變熱。（5 分）

（二）輕水式反應器之核燃料衰變熱來源主要有那些及產生之機制為何？（15 分）

（20 分）

對某一能量之 gamma 射線照射環境，在無屏蔽條件下，請問評估設備吸收劑量率與人體組織或器官等價劑量率時，考慮有何不同？（20 分）

（20 分）

（一）說明熱中子（thermal neutron）的定義。（5 分）

（二）說明緩和劑（moderator）在核反應器中的作用，並列舉二種可作為緩和劑的物質。 （10 分）

（三）亦有反應器是針對快中子（fast neutron）設計，例如 fast breeder reactor，此設計最主要特性為何？（5 分）

（20 分）

（一）試述核電廠用過核子燃料（spent nuclear fuel, SNF）的短、中、長期貯存方式。（12 分）

（二）目前我國用過核子燃料的處置現況為何？（8 分）

（20 分）

請說明下列組件在輕水式核電廠核島系統之功能、材料及工作原理：（每小題 3 分，共 15 分）

（一）核燃料（nuclear fuel）

（二）控制棒（control rod）

（三）中子減速劑（neutron moderator）

（四）中子反射體（neutron reflector）

（五）生物屏蔽體（biological shield）

（15 分）

普金峯會與美國退出伊朗核協議均與兼顧防核武擴散與原子能和平用途之議題有關。請列出（一）開放式核燃料循環（open nuclear fuel cycle, ONFC）之完整供應鏈（10 分）及（二）相對於 ONFC，密閉式核燃料循環（close nuclear fuel cycle）需增加之核設施，（5 分）以及（三）說明兼顧原子能和平用途及防止核擴散之主要防護手段（Safeguards to prevent nuclear proliferation）。（10 分）

（25 分）

請說明核能技術在醫藥、農業及食品加工等領域之應用方式及優點。（10 分）

（10 分）

電子速率之增減可以藉電場與電子之作用達成。中子不帶電荷，請說明（一）將中子減速之工作原理（5 分）及（二）中子緩衝材料（Neutron Moderator）之特性需求，（5 分）並列舉兩個通用中子緩衝材料。（5 分）另請說明（三）快中子、熱中子與冷中子之能量範圍、產生方式與應用。（15 分）

（30 分）

請計算每公斤及每立方米鈾-235 經核分裂反應可釋出之能量（10 分）（以 MWd/kg及 MWd/m3 單位表示） （提示：每一鈾-235 原子核分裂可釋放出 3.1 × 10-11J 之能量，Avogadro’s constant = 6.02 × 1023，鈾-235 之密度假設為 19 g/cm3）；假設核燃料中鈾-235 之濃度為 5%，煤之重量能量密度為 30 MJ/kg，請問核燃料與煤之相對重量能源密度；（5 分）假設燃煤完全燃燒且發電效率為 40%，核分裂過程不會釋放 CO2，請估算每發一度電（kwh），燃煤發電較核能發電多排 CO2 之量。 （5 分）

（20 分）

（一）何謂遲延中子及延遲時間決定於何種衰變？（5 分）（二）遲延中子在核反應器的控制上扮演何種重要的任務？（5 分）

（10 分）

請說明中子與原子核作用的四種主要物理機制。（10 分）

（10 分）

（一）請試繪出壓水式反應器（PWR：Pressurized Water Reactor）的系統圖，應包括一次側與二次側主要組件及上下游之間的相互連結， （10 分）（二）又我國運轉中那一座核能電廠屬於此類反應器？（5 分）

（15 分）

（一）何謂核能電廠爐心核燃料的都卜勒（Doppler）效應？（5 分）（二）輕水式核電廠的緩和劑空泡係數為負值的物理機制？（5 分）

（10 分）

（一）發生在逾 6 年前（2011 年 3 月）日本福島 311 核電事故，其中福島受損最嚴重第一核電廠 1 號機組使用隔離冷凝器（IC, Isolation Condenser）設計做為緊急冷卻設備，2 號機組卻使用爐心隔離冷卻系統（RCIC, Reactor Core Isolation Cooling System）做為緊急冷卻設備；兩者設計上之主要差異為何？（10 分）（二） 1 至 3 號機組爐心熔損最重要且最直接的肇因為何？因何種物理機制而產生何種氣體造成事故發生當時極大的隱憂？（10 分）

（20 分）

日本福島事故屬於所謂的核能嚴重事故，已超出電廠「設計基準事故」的範疇，但絕非是超出想像的事故。福島事故後我國臺電公司重新擬定面對核電廠發生類福島事故時採取所謂的「斷然處置措施」的核電風險管理新思維，由核能副總經理或廠長或值班主任決定在須確保反應爐結構與爐心核燃料的完整性時，優先於核電機組有爐心熔解之虞的斷然措施，以杜絕任何類似福島事故，乃至更嚴重事故的發生。請說明（一）要達成此一目的主要設計上的考量為何？（10 分）及（二）如何落實此一目標的具體作法為何？（10 分）

（20 分）

目前我國核電廠用過核燃料中期貯存採用乾式貯存系統，然而歐洲有採用溼式貯存系統的用過核燃料中期貯存方式，試以列表方式就兩種中期貯存方式說明其中至少 5 項之差異性。（15 分）

（15 分）

請描述沸水式反應器（Boiling Water Reactor, BWR）電廠全功率發電機棄載肇因及所致之爐心與系統暫態反應。 （20 分）

（20 分）

以 BWR 設計基準大破口冷卻水流失事故為例：

（一）請說明如何決定廠外禁制區邊界（Exclusive Area Boundary, EAB）及低密度人口區（Low Population Zone, LPZ）邊界外人員事故期間接受劑量，並請依序就分裂產物產生、傳輸、移除、外釋等現象與機制說明。 （15 分）

（二）請列出適用之法規指引及法規劑量接受準則。 （10 分）

（25 分）

就電力供給的角度，說明核能或火力為何較風力或太陽能更適於擔任基載電力。（10 分）

（10 分）

（一）請說明福島第一電廠事故發生時，發生一至四號機反應器廠房爆炸的原因。（10 分）

（二）若要避免發生類似福島事故之廠房爆炸，有什麼改善方式？（10 分）

（20 分）

試述輕水式核反應器的緩和劑（moderator）和控制棒（control rod）的功用。（10 分）

（10 分）

為減少事故造成分裂產物釋放到外界，核電廠設計會考慮多重屏障（multiple barrier），請試述各個屏障。（15 分）

（15 分）

請以鈾同位素為例說明易分裂及可孕（Fissile and Fertile）物質之定義；並指出此兩類物質在材料特性之主要差異。（15 分）

（15 分）

請說明核設施緊急應變計畫區（Emergency Plan Zone, EPZ）之功能、我國核電廠EPZ 之大小及其決定之標準，並列出 EPZ 準備工作之內容。（15 分）

（15 分）

請定性說明核電廠延役（Plant Life Extension）計畫之效益及限制最高延役年限之可能組件。（10 分）

（10 分）

請定性說明核電廠主動冷卻、被動冷卻及本質安全之設計構想。（15 分）

（15 分）

請說明 BWR 及 PWR 核電廠核島工程設計之差異及其利基市場。（15 分）

（15 分）

核電廠為防止放射核種影響周遭環境及人員，採取縱深防禦設計之安全防護體系，請說明商用核電廠阻止放射核種擴散至周遭環境之相關防禦措施；但迄今商用發電核能機組卻仍發生三次事故並導致廠外大規模疏散，請說明發生這三次事故之國家、核電廠廠名、核島型式及其安全防護體系失效之肇因。（15 分）

（15 分）

請定性說明用過核燃料乾式儲存技術及用過核燃料再處理技術之應用價值。（15 分）

（15 分）

請試述下列名詞之意涵：（每小題 5 分，共 25 分）「自動放射攝影術」（autoradiography）「設計基準事故」（design basis accident）「冷卻劑流失事故」（loss of coolant accident）「乾式貯存」（dry storage）「無限增值因數」（infinite multiplication factor）

（25 分）

何謂核電廠的「機組斷然處置程序」？其作用為何？（15 分）

（15 分）

說明「游離輻射防護安全標準」第 17 條中，在什麼情況下，得依規定採行緊急曝露？（15 分）

（15 分）

說明「輻射工作場所管理與場所外環境輻射監測作業準則」第 17 條規定，設施經營者應於那些場所外實施環境輻射監測？（15 分）

（15 分）

依據我國「放射性物料管理法」，試說明如何處理、貯存放射性廢棄物及最終處置設施之興建？（15 分）

（15 分）

搭乘飛機由紐約飛往臺北，於 4 萬呎高度飛行時間 15 小時，且入射客艙內之宇宙中子通量為 0.5n / (cm2×sec)，若乘客手戴金戒指（其重量為 3.75 公克），飛機抵達臺北時，請計算半衰期 2.69 天的金-198 活度（以貝克表示）。（15 分）（已知金的克原子量為 197.0 克/莫耳，反應截面為 0.02 邦）

（15 分）

請解釋下列名詞：（每小題 5 分，共 40 分）

（一）「蒸氣產生器」（steam generator, S/G）

（二）「除役」（decommissioning）

（三）「四因子公式」（four-factor formula）

（四）「反應器壓力槽」（reactor pressure vessel, RPV）

（五）「反應度」（reactivity）

（六）「京都議定書」（Kyoto protocol）

（七）「醫用直線加速器」（Medical linear accelerator）

（八）「國際原子能總署」（International Atomic Energy Agency, IAEA）

（40 分）

說明放射性物料管理法施行細則第 4 條中的放射性廢棄物如何分類。（15 分）

（15 分）

依低放射性廢棄物最終處置設施場址設置條例第 4 條之規定，說明處置設施場址不得位於那些地區？（15 分）

（15 分）

經過 102 年 6 月 2 日中部地震後，發現裸露的石穴中有先民壁畫及焦黑木炭殘渣，進行碳 14 分析（偵檢效率為(40 ± 4)%），淨計數為 2.0 ± 0.2 cpm/g，已知現今碳 14 之碳含量為 200 Bq/kg，則先民多久以前（自那一年至那一年）在該地活動？（碳 14 的半化期為 5730 年）（15 分）

（15 分）

現行游離輻射防護安全標準中，對於懷孕之女性輻射工作人員規定為何？（15 分）

（15 分）