行波堆是一种革新概念反应堆，堆芯内易裂变核素原位产生并消耗，寿期内反应性波动小，重要物理特性参数保持一定形状不变在堆内传播。行波堆可利用天然铀、贫铀或压水堆乏燃料，为核能大规模发展所遇到的铀资源供应和乏燃料后处理问题提供一个全新的解决方案。目前国际上行波堆研究处于概念探索阶段，为深入探究行波堆相关物理特性，为工程化应用奠定基础，本论文选取行波堆为研究对象，开展以下研究：行波堆堆芯物理分析方法研究。行波堆燃耗较深、堆芯不均匀性较强、几何网格较多，已有程序用于行波堆分析时精度不高、速度较慢。在深入探究行波堆深燃耗计算特点基础上，应用解析函数展开节块法开发行波堆计算燃料管理程序包HANDF-E。HANDF-E采用外推加速、内外迭代匹配加速、OpenMP并行加速等加速方法，具备宏观燃耗计算、功率重构、热工水力反馈计算、倒换料等功能。针对HANDF-E计算一些问题时出现不收敛的情况，提出两种解决方法：截断近似方法和泰勒展开方法。数值验证表明HANDF-E具有较高的计算效率和良好的计算精度。轴向行波堆物理特性及堆芯设计方法研究。利用HANDF-E程序包研究不同富集度、燃料类型、冷却剂类型、金属燃料Zr含量等对行波堆长寿期物理特性的影响和不同启堆区长度、富集度、径向尺寸等对行波堆稳态性能的影响。根据分析结果，设计了新的轴向行波堆堆芯，满足全寿期内反应性波动小，重要物理特性参数保持一定形状不变在轴向传播的要求。径向驻波堆堆芯设计方法及倒料策略研究。应用HANDF-E程序包研究了燃料组件布置、增殖组件布置等因素对驻波堆长寿期性能的影响。根据分析结果，设计了新的驻波堆堆芯并提出以10年为周期的堆芯倒料策略。本论文研究的方法和开发的工具可应用于未来行波堆研发，提出的堆芯方案对工程化的径向、轴向行波堆设计具有借鉴意义。