110 公務人員升官等薦任 原子能 核能安全 考古題詳解

核心觀念

本題考查反應器急停後的氙毒暫態，以及它如何形成「Deadtime」（氙毒停機時間）。高功率運轉後急停，爐心內原有的碘-135仍會衰變生成氙-135；氙-135具有很大的熱中子吸收截面，是強中子毒物。若其負反應度超過爐心可用的正反應度，反應器便無法立即達到臨界，須等氙-135衰減至足以重新起動。

「Deadtime」指的就是這段因氙毒過強、可用正反應度不足而無法重新起動的時間。它不是急停後必然存在的固定時數：若爐心可用正反應度足以克服氙毒，就不會形成無法起動的時段。

解題方法

從急停前後氙-135的生成與移除機制切入，再比較氙毒造成的負反應度與爐心可用的正反應度。

反應器功率運轉時，氙-135主要由碘-135衰變生成，也會由裂變直接生成；同時，氙-135會經放射性衰變及中子吸收而移除。急停後，中子通量大幅下降，裂變產物生成與氙-135的中子吸收移除都大幅減少；但急停瞬間已累積的碘-135仍持續衰變成氙-135。因此，停機後氙-135濃度先上升，形成「氙峰」，之後才隨氙-135衰變而下降。

可用下列簡化方程表示停機後的變化：

其中 $N_I$、$N_{Xe}$ 分別為碘-135與氙-135的原子核數密度，$\lambda_I$、$\lambda_{Xe}$ 為各自的衰變常數。停機後通量近於零，因此方程中可忽略由裂變生成碘、以及氙-135被中子吸收移除的項。因碘-135持續供應氙-135，且氙-135衰變較慢，氙濃度會先增加；一般在停機後約 8 至 11 小時附近達峰，實際時間依爐心與運轉條件而異。

是否形成 Deadtime，取決於氙毒負反應度與可用正反應度的比較：

此時即使將可用控制棒全部抽出，仍不足以抵銷氙毒，反應器無法達到臨界；待氙濃度下降、氙毒反應度減小，才可重新起動。若可用正反應度始終足以克服氙毒，則不會出現 Deadtime。

Deadtime 長短的影響因子

核心觀念

本題考查壓水式反應器（PWR）一次側冷卻水的化學控制，以及燃料燃耗期間的反應度補償。三種添加劑分別處理不同問題：

• 硼酸：以可溶性中子吸收劑調節反應度。
• 氫氧化鋰：調整冷卻水的高溫 pH，控制腐蝕與腐蝕產物輸送。
• 氫氣：維持還原性環境，抑制水的輻射分解所產生的氧化性物種。

燃料週期中，燃料消耗及裂變產物毒物累積會使反應度下降；硼酸濃度逐步降低，藉由減少中子吸收來補償這項反應度損失。

解題方法

先按「反應度控制、pH／腐蝕控制、輻射分解控制」分類三種添加劑，再以反應度平衡說明硼濃度為何隨燃耗下降。硼酸濃度變化的關鍵，是反應爐內的可溶性硼總量受到調節；其中部分硼-10也會吸收中子而消耗。

（一）三種添加劑的功能

1. 硼酸：可溶性中子吸收劑

硼酸溶於一次側冷卻水後，硼-10具有很大的熱中子吸收截面，可吸收核心中的中子，降低反應度。反應度調節的方向為：

• 增加硼酸濃度：中子吸收增加，反應度降低。
• 降低硼酸濃度：中子吸收減少，反應度提高。

硼酸濃度可在爐心冷卻水中均勻調節，主要用於較慢、較大幅度的反應度控制，例如補償燃料燃耗及裂變產物毒物變化。控制棒則可提供較快速、局部或分區的反應度控制。

2. 氫氧化鋰：調整冷卻水 pH

一次側冷卻水中的硼酸會使水呈酸性，因此加入氫氧化鋰，以調整高溫操作條件下的冷卻水 pH，使其維持在適合材料與水化學控制的範圍。適當的 pH 有助於降低結構材料腐蝕，並控制腐蝕產物的溶解、沉積與輸送，減少活化腐蝕產物在系統內的累積。

實際運轉中，氫氧化鋰濃度須配合硼酸濃度變化調整。使用鋰-7含量較高的鋰，可降低鋰-6吸收中子後生成氚的問題。

3. 氫氣：抑制輻射分解與氧化作用

反應爐內的水受中子與伽瑪射線照射會發生輻射分解，產生氧、過氧化氫等氧化性物種。一次側添加氫氣，以維持還原性水化學條件，促進氧化性物種復合或消耗，降低其濃度，進而抑制材料氧化與腐蝕。

氫氣在此處的主要作用是水化學控制，不是用來調節核心反應度的可溶性毒物。

（二）燃料週期中硼酸濃度降低的原因與機制

原因：燃耗使核心反應度逐漸下降

核心觀念

本題考查輕水式反應器冷卻水中放射性核種的生成來源與進入冷卻水的途徑。鈷-60主要是穩定鈷-59經中子活化形成的腐蝕產物；氚則由硼、鋰等核種與中子反應，以及燃料的三元分裂等途徑產生。兩者都能進入冷卻水，但生成機制不同。

解題方法

（一）冷卻水中鈷-60的主要產生機制

鈷-60主要由穩定的鈷-59吸收中子生成：

反應器材料中的微量鈷，以及鎳基合金、閥件、焊材等所含的鈷，會因腐蝕或磨耗形成腐蝕產物。這些含鈷物質隨冷卻水流動，進入反應器爐心的中子通量區後，鈷-59捕獲中子而成為放射性鈷-60。

生成的鈷-60可附著於氧化物或腐蝕產物，再隨其輸送、沉積於爐心外的管路與結構表面；也可能經腐蝕、溶解或再懸浮回到冷卻水中。這些活化腐蝕產物沉積在設備表面，是停機後輻射劑量率升高的重要來源。

（二）冷卻水中氚的主要產生機制

氚是氫的放射性同位素，主要透過中子與含硼、含鋰物質反應而生成。加壓水式反應器（PWR）以硼酸控制反應度，並以氫氧化鋰調整冷卻水 pH，因此硼、鋰的中子反應是其冷卻水氚的重要來源。

代表性反應如下：

此反應的總反應式可寫為：

另一重要反應為：

核心觀念

本題考查福島第一核電廠事故中的氫氣來源，以及用過燃料池燃料的臨界安全條件。判斷時要區分：

• 氫氣爆炸的直接化學來源：燃料護套高溫氧化產氫，以及氫氣在廠房內累積後燃燒爆炸。
• 用過燃料池的冷卻與臨界安全：燃料衰變熱是否造成燃料裸露、燃料排列及水中中子吸收能力是否足以維持次臨界。

(一) 四號機廠房發生氫氣爆炸的原因

四號機歲修期間，爐心燃料已全數移至用過燃料池。地震與海嘯造成廠區電力及冷卻功能喪失，池水冷卻、補水受到影響；池水若因沸騰或蒸發而下降，燃料便有過熱風險。

燃料組件的鋯合金護套在高溫下會與水蒸氣反應，生成氧化鋯與氫氣：

氫氣由用過燃料池區域逸出並累積於四號機廠房，達到可燃濃度後遇到點火源，遂發生氫氣爆炸並破壞廠房屋頂。事故中四號機爐心已無燃料，因此爆炸所需的氫氣來源不是四號機反應爐爐心，而是用過燃料池內高溫燃料護套與水蒸氣的反應。氫氣也可能由其他機組經共用管道或排氣路徑移入四號機廠房；但四號機燃料池燃料過熱產氫，是本題應掌握的主要機制。

(二) 用過燃料池內的用過核燃料是否可能再臨界？

核心觀念

本題考查壓水式反應器（PWR）一次側與二次側的水化學控制及金屬腐蝕防制。一次側冷卻水直接流經爐心，具有冷卻與減速功能，並受中子照射；二次側水不直接流經爐心，主要在蒸汽產生器另一側吸熱、產生蒸汽。

兩側均須控制水質與材料腐蝕，但控制方式不同：一次側重點是控制冷卻水化學環境、降低腐蝕產物與活化產物；二次側則重點在控制溶氧、酸鹼度及沉積物，以減少蒸汽產生器與給水系統的腐蝕。

解題方法

依迴路所處環境，分別從「水化學控制」與「材料表面保護」整理防蝕措施：

1. 一次側：以添加鹼性藥劑控制酸鹼度、使用氫控制溶氧，並藉由硼／鋰化學控制及水質淨化，維持適合燃料與結構材料的水化學環境。
2. 二次側：以除氧、加藥調整酸鹼度，以及控制給水與蒸汽系統的雜質和沉積物，降低氧腐蝕、酸性腐蝕與沉積物下腐蝕。

（一）一次側迴路金屬組件的防蝕

1. 控制冷卻水酸鹼度

一次側常以鋰氫氧化物（LiOH）調整冷卻水酸鹼度，使水質維持在適合燃料包殼、壓力槽及管路材料的範圍，降低金屬溶解與腐蝕產物生成。

反應器使用硼酸作為可溶性中子吸收劑，硼酸濃度會隨燃耗與運轉狀態調整；鋰濃度則配合硼濃度變化控制，以維持目標酸鹼度。水化學控制需兼顧金屬材料腐蝕、燃料包殼完整性及硼的溶解度。

2. 以氫控制溶氧

一次側冷卻水溶有氫，以降低水中的溶氧及其他氧化性物種。溶氧會促進金屬氧化與腐蝕；控制氧化性環境，可減少氧化膜的不穩定及金屬腐蝕。

3. 控制腐蝕產物與水中雜質

透過冷卻水淨化、過濾與離子交換，移除溶解或懸浮的腐蝕產物及離子雜質，降低沉積、局部腐蝕與放射性腐蝕產物在系統中的累積。控制雜質也能降低氯離子等可能引發局部腐蝕的物質。

4. 以合適材料及表面氧化膜降低腐蝕

一次側主要組件採用適合高溫、高壓水環境的合金材料，例如不鏽鋼及鎳基合金。這些材料表面可形成具保護性的氧化膜，降低金屬進一步溶解。材料選擇與水化學控制須配合，才能維持氧化膜穩定。