高考申論題 106年 [核子工程] 核能概論

第一題

📖 題組：
四、(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）

📝 此題為申論題，共 2 小題

小題 (一)

何謂核能電廠爐心核燃料的都卜勒（Doppler）效應？（5 分）

本題測驗核反應器物理的核心安全機制。解題時應從「燃料溫度升高」出發，連結到「U-238原子核熱運動增加」，導致「共振吸收峰變寬（Doppler Broadening）」，最終點出其提供「立即的負反應度回饋」這項固有安全特性。

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「核燃料的都卜勒（Doppler）效應」是指燃料溫度變化導致核燃料（主要為鈾-238）對中子吸收能力改變的物理現象，為核反應器極為重要的固有安全機制。其物理機制與安全連動如下：

物理機制（都卜勒增寬）：當反應器功率異常上升導致燃料溫度升高時，燃料內部鈾-238（U-238）原子核的熱振動加劇。熱運動導致中子與原子核間的相對速度分布變廣，使得 U-238 對中子的共振吸收峰（Resonance Peaks）在能譜上變矮且變寬。

輕水式核電廠的緩和劑空泡係數為負值的物理機制？（5 分）

看到此題，應先點出「水（輕水）」在反應器中扮演「緩和劑」的角色。接著以物理因果鏈推導：功率/溫度上升 → 水沸騰產生空泡 → 水密度下降 → 中子減速能力變差 → 鈾-238共振吸收與中子漏失增加 → 熱中子減少、反應度下降，從而證明其負回饋機制。

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【破題】緩和劑空泡係數（Void Coefficient）為負值是輕水式反應器（LWR）固有安全性的核心設計，其物理機制源於水密度的變化對中子能譜與系統反應度的直接影響。【論述】