参加国际热核聚变实验堆(ITER)研发项目的各个国家,包括欧洲、日本、中国、美国、俄国、韩国和印度,都提出了各自的固态实验包层的工程设计,并随着ITER的建造正在进行工程研制和材料实验。目前针对ITER项目以后的聚变发电,许多国家都进行了示范堆的固态包层概念设计。本论文就是在固态包层的框架下,提出了一种新型双回路交叉氦冷固态包层概念,并在示范堆规模下进行了中子学、热工水力和应力分析。双回路交叉冷却固态包层在长期运行条件下具有稳定的氚增殖能力和发热,在一条回路失流或失冷事故情况下能确保安全载出聚变堆失效包层热量。在物理方面,从固态包层的尺寸参数、材料份额和第一壁装甲等方面进行了合理选择。为了对固态包层增殖材料的消耗和产氚进行分析,本论文采用了考虑反应率随时间变化的燃耗分析方法,对固态包层氚增殖性能和功率密度随时间的变化进行了深入的研究,比较了5种6Li富集度布置方案。增殖区在靠近第一壁采用高6Li富集度(大于60%),在靠近后板采用低6Li富集度的优化方案,使包层能够在稳定的氚增殖性能和功率密度分布状态下长期运行,并能够高效利用6Li。建立了具有双冷却回路固态包层结构的聚变堆三维中子学计算模型,分析了全堆规模的氚增殖比(达到1.16)和功率密度分布等中子学性能。经过物理和热工设计的耦合分析,确定了增殖层结构平行于第一壁的双回路固态包层概念设计的合理参数。在正常工况下,冷却回路系统能够保证材料保持在允许的工作温度范围内,并具有较好的热效率;在双回路冷却固态增殖单元一条冷却管路入口管断裂或堵塞的事故工况下,无需额外应急系统可以有效延缓包层的温度升高。采取增大另一冷却回路流量的缓解措施,可保证热量仍然能够从事故增殖单元安全载出。双回路的设计提高了包层的可用性和事故安全性,能有效的减少包层的烧毁概率,从而提高聚变堆的整体的可靠性。论文还对包层模块的冷却流道结构进行了初步应力分析。本研究是对聚变堆固态包层的新概念设计研究,希望能为我国的固态包层设计提供一些概念和方法的参考。