本文针对二氧化铀（UO₂）核燃料棒芯块核反应过程中芯块易开裂、寿命短等不足，从缩短芯块径向距离出发，提出几种UO₂核燃料棒芯块的优化模型，并通过MSC.Marc对模型的压制成型过程进行数值模拟，证实本文提出的芯块模型符合UO₂粉末压制后相对密度达1左右的要求，然后利用ANSYS对几种芯块模型的烧结、运行过程进行数值模拟，通过比较其温度场、应力场以及应变的分布，得出最优模型。通过计算分析，得知传统圆柱体UO₂核燃料棒芯块在1750℃的环境温度下烧结8h后芯部仍有小块区域停留在初始温度20℃，烧结并不完全，而经优化后的浅碟形底孔的芯块，以及在侧面与底面交接处作倒角的芯块芯部温度可达800℃左右，较先前有明显改善。在内热源q_v=1×10⁷Btu/h.ft³的条件下运行至芯块芯部温度达2000℃时，传统圆柱体UO₂核燃料棒芯块运行12h后表面温度仅为578.56℃，经改进后的带浅碟形底孔和做倒角的芯块表面温度可分别达到1078.26℃、1075.58℃，运行时间延长至14h，优化效果明显。通过对几种芯块模型的等效热应力分析，得出传统圆柱体芯块表面区域受到的热应力在158MPa以上，超出UO₂陶瓷材料的断裂强度150MPa，芯块表面发生开裂，而经改进后的带浅碟形底孔和做倒角的芯块表面热应力均在其断裂强度范围内，从而达到了本次优化的目的，延长了芯块的使用寿命，对发展核工业产业具有重要意义。