大型船舰装备研发与技术升级是海防发展的重中之重，发展核反应堆为其提供动力是未来的明确发展方向。现阶段大型船舰普遍采用以压水堆结合蒸汽循环的动力装置，循环热效率较低且其进一步提升受限，开发高效紧凑的新型动力系统是提升船舰整体性能的重要技术途径之一。超临界二氧化碳（supercritical carbon dioxide, S-CO2）循环在反应堆冷却剂出口温度范围内，具有能量转换效率高、设备结构紧凑及安全性优越等突出优势，极具发展前景。本文将S-CO2动力循环与舰船核反应堆相耦合，构建核动力船舰S-CO2循环系统，并对动力系统及其关键部件的综合性能展开系统性研究。
　　本文选取铅冷快堆、高温气冷堆、钠冷快堆和压水堆4种典型舰船核反应堆，联合再压缩、内冷、部分冷却及再热4种模式的S-CO2动力循环，构建了16组面向大型船舰的核反应堆S-CO2循环动力系统及其热力学模型，研究分流比、堆芯冷却剂出口温度、透平入口压力、压缩机入口压力、循环最低温度等关键参数对各系统循环热效率的影响规律，结合分析结果优化参数，形成16组动力系统的高效参数运行方案。以循环热效率为评价指标，将再热模式的S-CO2循环优选为各核反应堆最优循环系统，提出了核反应堆最优S-CO2循环动力系统的整体配置方案。
　　基于上述最优动力系统，展开了透平、压缩机、换热器等系统关键部件的特性分析。探究了透平、压缩机等熵效率和回热器最小换热端差等性能设计参数对循环热效率的影响，分析了不同运行工况下各系统内热功转化过程的变化特性。通过构建半圆形截面的直线形及Z形通道型式的印刷电路板式换热器（Printed Circuit Heat Exchanger, PCHE）三维数值模型，分析工质雷诺数、入口温度与出口压力等运行参数，以及通道管径、转折角度和节距等结构参数的影响，揭示了系统关键换热部件（双回路中间换热器、低温回热器）的流动特性与传热性能变化规律，得出了变工况条件下的流动传热关联式。
　　建立?分析与体积计算模型，综合循环热效率、?效率及紧凑度等多重评价指标，对核动力船舰S-CO2循环系统性能进行了全面评估。铅冷快堆、钠冷快堆、高温气冷堆及压水堆最优S-CO2循环动力系统的?效率依次降低，各系统内所有部件的?效率均高于90%；且再热循环系统的体积高于再压缩循环，应用于铅冷快堆的循环系统紧凑性相比于高温气冷堆更高。综合评估结果表明：铅冷快堆最优S-CO2循环动力系统兼具高热力学效率和结构紧凑性，非常适用于船舰动力装置。