随着核能事业的发展,核电已成为电力能源中不可或缺的一部分。目前在运行的商用堆主要是轻水反应堆,其运行过程中面临着核燃料利用率较低(~0.6%)以及铀资源的可持续性等问题。新兴的第四代核反应堆中,快中子核反应堆可以有效地解决这些问题,然而,其也不可避免地存在着一些缺点,比如其运行过程中需对增殖燃料进行后处理,提取钚等核素重新加工制造新燃料,这会增加反应堆的运行成本,并存在核扩散的风险。原位增殖-燃烧(Breed-and-Burn,B&B)反应堆中核燃料不需要进行后处理便可在堆内原位增殖并原位燃烧,其新燃料区也可以直接装载贫铀、天然铀、乏燃料和钍等,可解决上述堆芯存在的不足。Candle(Constant Axial shape of Neutron flux,nuclide densities and power shape During Life of Energy produced)堆作为一种典型的B&B反应堆,受到了广泛的关注和研究。Candle堆可划分为两部分,其一端为点火区,装载富集燃料,另一端为增殖区,可装载贫铀、钍等新燃料。Candle堆被点火区启动后,堆芯功率密度、核素密度等分布保持恒定并在增殖区内进行缓慢匀速传播。在Candle堆研究中,可采用Monte-Carlo方法模拟,但因Candle堆体积庞大、燃耗较深(~40%FIMA),模拟Candle全堆芯进行配置筛选工作,将会耗费大量的计算时间。中子平衡方法近期被运用于大型B&B堆芯的研究中,该方法综合考虑了中子产生和中子消失的累积效应,可直观地计算燃料实现B&B模式的最小需求燃耗和最大理论燃耗等信息,适用于系统的参数化研究。采用0D或1D简化模型模拟Candle堆芯并结合中子平衡方法分析,可在保证计算准确性的同时快速地估算出结果。应用中子平衡方法进行分析时,本文首先对中子平衡方法进行了修正,考虑(n,2n)&(n,3n)反应道对中子过剩计算的影响,并通过对比分析铀基和钍基堆芯修正前后中子平衡的差别,分析了(n,2n)&(n,3n)反应道的贡献。本文采用1D近似模拟时,计算得知其Monte-Carlo模拟时间仅为Candle全堆芯模拟的~10%,利用此方法可以大幅缩短计算时间。并且,本文从中子平衡角度论证了1D模型描述Candle堆的可行性,并将该方法应用于Candle堆的物理特性分析,估算了Candle堆点火区和增殖区的最优配置。Candle堆点火区几何和燃料富集度影响过渡态的反应性波动,对点火区配置进行优化具有重要意义。本文利用中子平衡方法结合1D模型研究了Candle堆点火区的优化设计。通过估算新装燃料对于中子的需求,以及点火燃料所能提供的过剩中子,在满足系统中子平衡的条件下直接估算了点火区燃料的配置,省去搜索筛选的过程,降低了分析Candle堆的难度。不同的燃料类型(金属、氧化物、碳氧化物等)、冷却剂类型(钠、铅铋合金、氦气和FLiBe熔盐等)、结构材料类型(HT-9钢、碳化硅等)因能谱和寄生吸收等效应会影响其中子经济性,从而影响Candle堆的稳态特性。另外,堆芯几何和燃料配比的变化也会导致Candle堆稳态特性的改变。本文比较分析了铀基堆芯不同燃料类型(U-Zr、UO2、UC0.5O1.5)和冷却剂类型(Na、LBE、He和FLiBe)的1D模型的中子平衡。并进一步研究了氦冷却贫铀堆芯实现Candle燃烧模式的可行性区域,研究中堆芯半径从100 cm到400 cm变化,而燃料体积分数从20%增加到60%。本文还比较分析了钍基堆芯不同燃料类型(Th、ThO2)、冷却剂类型(Na、LBE、He和FLiBe)和结构材料类型(HT-9钢、SiC)的1D模型的中子平衡。并进一步研究了He-SiC-Th燃料实现Candle燃烧模式的可行性区域,研究中堆芯半径从250 cm到400 cm变化,而燃料体积分数从50%增加到80%。研究中还对比分析了铀基和钍基堆芯实现Candle模式的差异,为Candle堆的设计提供参考。