在当前清洁能源发展推动的大环境下,核能成为主要的能源解决方案之一。对于核能技术的发展,核安全问题、核燃料资源短缺问题、乏燃料后处理、防扩散问题等都是影响其推广应用的重要因素。铅基冷却快堆作为第四代核能系统的重要备选方案,在安全性性、可持续性、经济性、技术可靠性、运行经验等方面具有其独有的优势。国际上目前对液态金属反应堆开展了大量的设计和研究工作,针对液态金属反应堆的各类计算和分析工具亟待开发,本文以铅冷快堆内的热工水力特性和瞬态安全特性为研究基础,以程序开发—程序验证—算例分析为基本技术路线,开发了适用于第四代液态金属反应堆的堆芯子通道分析程序,并以此为基础进行二次开发,研究了反应堆热工水力耦合分析方法,及其在铅冷快堆中的应用。本文的主要工作包括以下内容:(1)针对铅冷快堆的热工水力特性建立了子通道分析模型,包括流体控制方程、燃料元件导热方程,充分考虑了各理论模型可能对子通道程序计算结果产生的影响。建立了各种辅助模型,考虑了液态金属的物性特点,比较了各种经验关系式的优劣,总结出适用于液态金属冷却剂子通道计算的理论模型。通过数值方法将子通道理论模型进行离散,采用稳定、高效的计算方法求解各项方程,完成KMC-sub子通道分析程序的编制并进行了测试。(2)基于实验验证的方法完成了 KMC-sub子通道分析程序的计算准确性和适用性的验证工作,使用液态金属特别是铅基液态重金属组件棒束实验数据对程序计算结果进行比较,对子通道程序进行了模块化和整体验证,分别从压降模型、换热模型、温度场分析等几个方面对程序结果的正确性、合理性以及适用性进行了详细分析。验证结果表明,KMC-sub程序计算结果正确合理可信,具有较高的计算精度,且同时适用于钠冷却剂和液态重金属冷却剂反应堆的计算;开展了SNCLFR-100堆芯的热工水力特性分析,结果显示包壳最高温度、冷却剂最大速度等关键热工水力学参数满足热工水力安全设计准则,设计方案合理可行。(3)以KMC-sub子通道分析程序和点堆中子动力学为基础,发展了热工-物理耦合快速分析程序,使用FLUENT/PK对耦合程序开展了准确性和适用性验证,以反应性引入事故为基准算例,对计算结果进行比较和分析,验证结果表明,耦合程序的计算结果与FLUENT/PK结果吻合度较高,热工-物理基础模型正确合理,程序具有较高的准确度和合理性;考虑液态金属的反馈反应性和中子能谱特征,对堆芯等效组件和堆芯几何参数配置方案的瞬态热工水力特性进行了比较和分析,结果表明温度等效组件的计算结果更合理;堆芯瞬态行为对节径比敏感,节径比越大,温度负反馈越强。(4)结合KMC-sub子通道分析程序和FLUENT程序各自的计算原理和数据处理特点,以用户自定义函数为基础,初步完成了 CFD-子通道耦合分析程序开发,在时间迭代方式上采用显式耦合,同时试验了分隔区域法和重叠区域法的耦合方法。子通道程序和控制宏以UDF的形式整体编译,通过交界面实现程序之间的数据交换,实现了局部尺度和部件尺度的多尺度耦合模拟计算;以子通道程序为基础拟合了 CFD多孔介质模型的阻力系数曲线,开展了铅冷快堆三维热工水力现象的耦合分析。本文完成了铅冷快堆子通道热工耦合分析方法的研究,开发了铅冷快堆的子通道分析程序、子通道-中子物理耦合分析程序,研究了 CFD-子通道耦合分析方法,成果可用于液态金属反应堆热工水力特性研究和安全分析,为此类反应堆的设计和研究工作提供了理论分析工具,具有一定的应用价值和实用意义。