未来更远距离、更长周期、更大规模的太空任务对于空间电源的功率和寿命提出了更高的要求,空间核反应堆具有结构紧凑、工作寿命长、输出功率高的特点,其功率输出覆盖千瓦至兆瓦级,相比太阳能和化学电池更具优势和发展前景。在空间核反应堆的多种设计方案中,空间热离子核反应堆电源的技术最为成熟。开展空间热离子反应堆的相关研究对于我国实现空间核反应堆电源的自主研发具有重要意义。本文以TOPAZ-II型空间热离子反应堆为研究对象,针对其特殊结构和特点,建立了堆芯中子物理模型、热离子发射模型、堆芯瞬态传热模型和电磁泵模型。基于开源计算流体力学软件Open FOAM,开发了多物理场耦合的热离子反应堆瞬态计算程序,实现了点堆中子动力学模块、热工水力模块、热离子发射模块和电磁泵模块的相互耦合。基于蒙特卡洛程序Open MC对空间热离子反应堆进行了物理分析,获得了反应堆主要物理参数、反应性反馈及功率分布特性。根据空间热离子反应堆的特点和工作范围,利用热离子发射模型探究了发射极温度、接收极温度、电极间距和铯蒸气压力等重要参数的变化对热离子转换器J-V特性曲线及空间堆电源输出特性的影响,对空间热离子反应堆热离子转换器的设计具有重要的参考价值。使用多物理场耦合程序对空间热离子反应堆稳态工况、启堆过程和停堆过程进行了计算,获得了稳态工况下堆芯功率分布和温度分布,反应堆基本参数的计算结果与设计值吻合良好;同时分析了启堆过程和停堆过程中热功率、燃料最高温度、发射极平均温度、电源输出特性、电磁泵电流及冷却剂流量和出口温度等相关参数的变化。本文开发的多物理场耦合程序和数值研究成果对于我国未来空间堆的设计和分析具有一定参考和借鉴意义。