西安脉冲反应堆建成运行后,堆芯在高功率运行工况下出现气泡现象,气泡的产生与运动对自然对流传热产生重要影响。本文从分析堆芯自然对流机理出发,研究了堆芯存在过冷沸腾的可能性及其传热特性。通过机理分析、数值模拟和实验研究,对堆芯气泡的产生机理、空泡份额的定量计算,及其对燃料元件传热安全的影响进行了深入的研究。本文首先针对脉冲堆堆芯过冷沸腾传热特性进行了研究。建立了适用于脉冲堆粗棒燃料元件的导热模型,从传热机理出发,研究了影响燃料元件气隙导热的因素,建立了气隙导热计算方法,并对燃料元件导热模型进行了验证。通过对包壳-冷却剂间自然对流传热的分析,研究了单相和两相流的传热特性,总结了一套适用于脉冲堆低压、低热流密度、小流量的传热关系式。利用IPR-R1反应堆对该套关系式进行了计算可靠性验证。在对燃料元件导热与包壳表面的对流传热模型全面研究的基础上,编制了脉冲堆燃料元件传热特性分析软件。由于自然循环流动的复杂性,堆芯冷却剂的自然循环流量及其分布较难确定,本文采用较为保守的单通道模型,建立了冷却剂在堆芯通道内的水力方程,求得了堆芯冷却剂流量与反应堆功率的函数关系。利用数值模拟方法,计算了冷却剂在堆芯内的分布情况和流动特性。该项工作有助于了解堆芯内冷却剂的微观流动情况。对于脉冲堆高功率工况下堆芯气泡现象,本文从过冷沸腾传热的角度出发,对堆芯空泡现象的产生进行了机理分析,在广泛调研低压、低流量自然循环过冷沸腾空泡份额计算模型的基础上,通过物理分析和数学推导,建立了一套完整的脉冲堆堆芯自然循环过冷沸腾空泡份额计算模型,该套模型从脉冲堆的实际应用出发,适合于同类型两相流传热的空泡份额计算。通过与公开发表实验结果的比对,验证了本文所建立的计算模型的正确性。在总结本文研究成果的基础上,利用反应堆热工安全分析中广泛使用的子通道分析方法,建立了脉冲堆堆芯子通道稳态/瞬态分析方法,编制了计算程序。利用本文编制的堆芯子通道分析程序,对西安脉冲堆稳态运行的热工安全参数进行了分析,得到了堆芯重要的安全参数。利用程序的瞬态分析功能,研究了脉冲堆脉冲工况的快瞬态传热特性,得到了堆芯安全参数的时间-空间分布。本工作是对原有脉冲堆单通道热工安全分析的扩充与提高,对脉冲堆的安全分析具有重要意义,对同类型反应堆的堆芯安全研究具有参考价值。为了了解堆芯冷却剂通道内部的微观传热工况,了解通道内压力场、温度场、密度场及空泡份额的分布和变化情况,建立了脉冲堆堆芯通道内的CFD热工水力分析模型,借助ANSYS12计算软件,对稳态堆芯通道内部的重要热工安全参数进行了数值模拟,得到了多个参数的三维分布特性。最后,为了更为全面的了解堆芯传热特性,并对本文所建立的理论计算方法开展验证工作,进行了脉冲堆堆芯热工安全参数的测量工作,测量了典型功率、典型位置处的堆芯温度场。在对多种空泡份额测量方法进行调研分析的基础上,重点研究了直接用光纤探针测量堆II芯过冷沸腾空泡份额的可行性与技术难点,给出了其实验应用的发展前景。