中国聚变工程实验堆CFETR是国际热核聚变实验堆ITER和未来聚变DEMO之间的桥梁，主要目标是实现第一阶段200MW到第二阶段1.5GW的聚变功率，稳态或长脉冲运行达到0.3-0.5的运行因子并实现氚自持。水冷包层是CFETR的候选包层概念之一，承担着实现氚自持的重任，同时还需排出热量并转化能量，为聚变堆内部件提供屏蔽。从热工水力学的角度，包层在稳态运行时，应高效排出氚增殖反应产生的核热以及高温等离子体的辐射热流，使各部分材料温度在允许范围内，同时出口冷却剂温度尽可能高，以实现较高的能量转化效率，演示发电;在事故情况下，包层需有效排出衰变热，防止相关部件和结构超温超压，保证安全防御屏障的完整性，包容放射性，确保人员和环境安全。因此，水冷包层热工设计与热工安全研究至关重要。本论文从包层模块到包层扇段再到包层主传热系统，从不同级别和层面上逐步进行了热工设计和安全研究。　　对过热蒸汽水冷包层模块，在结构设计基础上，根据包层热工设计目标设计了冷却剂流动方案，自主开发了热工计算程序。应用该程序计算了过热蒸汽水冷包层在不同功率水平下的各热工参数，通过计算结果分析，优化了包层结构，验证了过热蒸汽水冷包层概念的稳态热工可行性。　　对压力水冷包层模块，开展了初步热工安全分析，运用系统分析程序RELAP5建立包层模块节点化模型，以稳态计算结果为初始化条件，模拟了等离子体脉冲运行和三种典型事故（真空室内失水事故、包层内失水事故和真空室外失水事故）情况，计算结果表明各热工参数如温度和压力等均满足安全限值，初步验证了压力水冷包层的安全性。　　基于CFETR水冷包层扇段划分，设计了典型包层扇段供水管道系统。运用RELAP5建立扇段各包层模块及供水管道模型，并充分考虑各包层模块与管道差异，根据计算结果，提出扇段划分和管线设计的改进方案，以使温度和流量分配更均匀，同时系统压降更合理，并对未来CFETR包层扇段设计提出建议。　　在模块和扇段分析基础上，设计了水冷包层主传热系统。该系统分为两个独立且相同的回路，运用RELAP5建立了一个回路的节点化模型。在稳态基础上，通过分析系统在高热流瞬态、失流事故、真空室内失水事故、包层内失水事故和真空室外失水事故下的系统瞬态响应评估了水冷包层主传热系统的热工安全性，结果发现在失水事故情况下防御屏障的安全仅能维持有限的时间，并提出了对应的缓解措施。　　本论文为CFETR水冷包层模块、扇段、主传热系统优化设计和分析，以及相关安全设施和缓解措施的设计提供了基础和参考;有利于理解CFETR在包层及相关系统设计上与现有聚变堆ITER的区别，以及在热工设计与热工安全方面面临的挑战，具有重要的意义。