作为第四代核能系统中唯一的水冷堆,超临界水冷堆(Super-Critical Water-cooled Reactor,简称SCWR)在经济性、经验延续性、技术成熟性和可持续性等方面有它独特的优势。国际核能界对超临界水冷堆开展了大量的研究工作,提出多种堆芯预概念设计,但这些设计都是基于单一的热谱或快谱堆芯。针对国际研发现状,本文通过以下的技术路线开展论文的研究:开发并验证计算工具——进行组件性能优化——提出堆芯设计方案并优化——得到改进设计。在研究内容上从开发堆芯、燃料组件核热耦合分析工具入手,进行了热工子通道程序和中子物理计算程序的二次开发,并实现了两者的耦合。在组件设计方面,率先提出了热谱双排燃料组件设计和快谱多层燃料组件设计理念,并对其设计参数进行了优化。在堆芯设计方面,基于对热谱、快谱堆芯互补性的分析,提出了一种新概念的超临界水冷堆堆芯设计理念——混合能谱超临界水冷堆堆芯设计。该设计在不同区域内实现了中子能谱的不同,在继承了超临界热谱、快谱堆芯优点的同时,克服了两者的不足。论文的主要工作包括:1.燃料组件、堆芯分析计算工具的开发与初步验证:(1)开发了能适用于超临界水冷堆组件分析的子通道程序COBRA-SC,结合实验数据对该程序进行了验证;(2)基于SKETCH-N程序,二次开发了不连续因子模型、精细功率重构模型,并对程序的功率计算结果进行了验证;(3)实现了COBRA-SC程序与SKETCH-N程序的耦合,能够对超临界水冷堆不同燃耗条件下的稳态问题进行求解。2.热谱燃料组件性能分析及优化设计的研究:(1)以均匀慢化理念为指导,提出超临界水冷堆热谱双排组件;(2)对热谱双排组件的设计参数进行优化,得出双排组件优化后的设计作为堆芯的热谱组件。优化后热谱组件设计参数范围为:燃料棒直径7~8mm,栅径比1.15~1.20。3.快谱燃料组件的性能分析及优化设计的研究:(1)提出并验证轴向上布置再生区与裂变区的多层组件设计的可行性;(2)对快谱组件的轴向不同分层进行优化,得出性能较优的分层结构;(3)对多层组件进行参数的优化设计,作为堆芯的快谱组件。优化后快谱组件为轴向11层分布,燃料棒直径7.5~8mm,栅径比1.15~1.20。4.混合能谱超临界水冷堆堆芯的性能分析及优化设计的研究:(1)对热谱区、快谱区燃料组件进行选取与匹配,提出初步的堆芯设计方案;(2)应用耦合分析工具对参考堆芯设计进行计算评估,提出若干种改善参考堆芯设计的方法进行尝试;(3)对不同的堆芯布置进行性能评估并提出优化设计方案。计算结果表明堆芯设计2具有包壳温度较低,空泡反应性负值较大的优点。本文旨在探索混合中子能谱超临界水冷堆堆芯及燃料组件概念设计的分析方法,其研究成果为超临界水冷堆的研究提供计算对象和理论分析工具,对今后的研究工作具有一定的启发与实用意义。