我国核电发展迅速，相应的换料设计任务也会越来越多。换料设计的基础是堆芯装载方案优化，为了研制工程实用的优化方法和程序，本文主要进行了以下研究：首先，提出了一种专门用于堆芯装载方案优化的新的启发式算法——区间限界算法，详细介绍了该算法的计算过程。该算法直接利用组件及其四个象限的反应性和可燃毒物的价值进行演化计算，智能性强，实现过程简单，固有并行性好，可耦合优化组件布置、可燃毒物配置和旧组件旋转。对该算法在几种优化问题上分别进行了检验计算，表明算法的优化能力较强。其次，对算法进行了一定的理论分析和改进。分析了算法中定义的控制变量的必要性和优越性。指出了使用区间作为模型表征学习规律是比较合理的。基于压缩映射原理证明了算法具有全局收敛性。为算法添加了精英策略，以更好地平衡选择性压力和种群多样性，使算法的收敛速度和优化解的质量都得到了提高。为了处理多模态装载方案优化问题，又为算法添加了多区间模型，使算法在不增加计算量的前提下具备了多模态优化能力。再次，将遗传算法与区间限界算法分别在单模态和多模态优化问题上进行应用对比。在单模态优化问题上，区间限界算法产生种群多样性的能力更强、考虑了自变量的联结关系、利用了反应性等启发式信息，性能超过遗传算法。在多模态优化问题上，除了前面三个原因外，遗传漂移现象容易使遗传算法只收敛到一个次优模态上，导致其性能更不如区间限界算法。最后，为处理有约束条件的多目标装载方案优化问题，提出了动态不连续加权因子技术。该技术可以统筹处理约束条件和多个优化目标。加权因子随着演化进程动态变化，以满足不同演化阶段对不可行解的不同选择压力。而加权因子在限值处不连续可以降低适应函数对加权因子的敏感性。通过各个约束条件和优化目标的转换公式，即可以表达决策者对多个目标的偏好，又可以对不可行解进行有效惩罚。综合上面的研究成果，研制了压水堆核电厂堆芯装载方案优化计算程序IBALPO。由于区间限界算法的优化性能较好，使该程序的工程实用性较强，目前已在中国核动力院帮助工程师优化装载方案。