核能是解决当前能源问题的主要途径之一,具有技术成熟与燃料储量丰富两大优势,但同时也面临核废料处理难题。目前普遍采用的“一次通过”处理方法虽然简单,但却存在巨大的能源浪费,更为严重的是未经处理的核素将长期对人类社会和自然环境构成潜在威胁,而采用分离嬗变技术的加速器驱动次临界系统(ADS)可有效解决这一问题。堆芯冷却系统是ADS的重要组成部分,其冷却性能直接关系到ADS的安全性和经济性。该系统包括三个回路：铅铋合金回路(一回路)、氦气回路(二回路)以及冷却水回路(三回路)。其中铅铋合金为堆芯冷却剂,氦气回路实现热功转换,而冷却水主要是将余热带走,一、二回路之间通过主换热器换热,二、三回路之间通过冷却器换热。本文希望通过对该系统的换热过程进行优化研究,以获得提高冷却系统性能的方法。传统热力学分析将热源视为恒温(热容无穷大),没有考虑工质有限热容流率对系统性能的影响,使得优化结果存在一定局限性。为了考察工质有限热容流率对系统性能的影响,论文首先以传热系数和换热面积为无穷大的理想换热器(换热能力无穷大)为对象进行了研究,以排除换热器的换热能力对系统性能的影响。研究过程中将三个回路在温熵图上综合考虑,根据三者状态参数之间的关系,得到了理想换热器情况下系统性能参数的表达式,结果表明：三个回路的有限热容流率对系统性能有重要影响,并且当三个回路热容流率相等时系统性能最优。基于理想换热器研究结果,论文进一步对实际换热器(有限换热能力)进行了研究。实际换热器出口冷热流体存在有限温差,堆芯铅铋合金温度高于理想换热器的情况,此时三个回路在温熵图上的温度差别比理想换热器时大,通过求解该温差,获得了不同工况下工质有限热容流率、换热器有限传热系数以及有限换热面积对系统性能影响程度的统一表达式。由于换热器冷热流体之间的相互作用,恒壁温与恒热流边界条件下单流道对流换热的Nu数无量纲关联式不能完全适用于换热器,本文对此提出了一种求解Nu数的新方法,即温度场匹配法,提出依据如下：接触面上,冷热流体的温度场必然连续且热流相等,因此冷热流体的温度场存在内在的对应关系。为了确定温度场的具体形式及相应的Nu数,论文对指数型边界条件(考虑到换热器冷热流体温差沿流动方向呈指数规律变化)下单流道内的对流换热问题进行了研究,获得了不同指数项系数下的温度场及Nu数,根据温度场匹配思想进一步获得了冷热流体匹配参数(表示为热容流率与指数项系数的函数)的对应关系,从而确定了冷热流体的Nu数以及换热器的总Nu数(表示为冷热流体热容流率比与固有热阻比的函数)。为了证明温度场匹配法的可靠性,论文将采用温度场匹配法得到的恒壁温与恒热流边界条件下的Nu数分别与文献中的Nu数结果进行了对比,结果表明：采用温度场匹配法求解换热器的Nu是可行的,所得结果是可靠的。ADS冷却系统通过二回路实现热功转换,为了从做功角度对系统进行优化,论文对系统的不可逆性进行了研究。通过求解理想换热器顺、逆流时的熵增后发现：随着三个回路热容流率的变化,总传热不可逆熵增与系统循环效率均呈现出单调变化趋势且存在极限,表明以功量作为优化目标是可行的。优化过程中,选取换热器为板式结构且冷热流体为逆流换热,将循环总输出功与泵功的差值(即净输出功)作为优化目标,为了简化净输出功表达式,认为三个回路的热容流率相等。结果表明：不同约束条件下,存在最佳的回路热容流率和换热器流道尺寸,使得净输出功达到最大。在此基础上,进一步获得了回路热容流率和换热器流道尺寸两个参数给定其一情况下另外一个参数最优值的近似解析解,以及两个参数均为变量情况下最优参数的数值解。为了在反应堆总功率不变情况下进一步提升ADS系统的经济性,论文研究了热载荷对系统净效率(净输出功与热载荷的比值)的影响,为了使结论更具可比性,将约束条件限定为几何相似(换热器长宽比、宽高比及比表面积不变)与载荷相似(单位换热面积承担的热载荷不变)。研究结果显示：系统净效率随热载荷的增大单调下降,表明在单位换热面积承担热载荷不变的条件下,采用多套子系统并联的冷却方式比单套冷却系统更具经济性。在上述相似假设前提下,三个回路的最优热容流率与热载荷近似为幂函数关系,而换热器流道尺寸的最优值受热载荷影响较小,近似为常数。常规换热器优化过程中存在热阻与功耗“不同优”的问题,而基于系统的优化可以最大限度缓解这一矛盾。为了进一步提升系统性能,论文从部件层面对换热器结构进行了改进与优化,提出了一种热管型换热器的解决方案,并采用创新性提出的“热短路”分析模型对热管型换热器进行了研究,结果表明：热管型换热器可以显著降低热阻与功耗的“不同优”性,从而扩大系统整体性能的提升空间。