弥散颗粒燃料和毒物因其众多优异性能受到了广泛关注,在轻水堆中具有广阔的应用前景。区别于常规均质材料,它们是一种弥散颗粒介质,结构型式特殊,因此导致燃料、毒物具备与众不同的性能表现。从反应堆物理学角度,深入研究弥散颗粒介质的中子特性、充分发挥潜在优势,对推动事故容错燃料和先进反应堆发展有着深刻的意义。此外,研究中发现,求解弥散颗粒介质精细燃耗时面临计算量过大、计算效率低等问题,现有计算方法存在一定的不足,亟需进一步发展。因此,本文主要围绕弥散颗粒介质的中子特性以及相关燃耗算法,开展以下研究工作。首先,从弥散颗粒介质的初步应用研究入手,针对装载弥散颗粒介质的压水堆组件开展中子特性分析,评估弥散颗粒燃料组件的性能和特征,分析弥散颗粒毒物在该组件上的优化效果。研究发现,弥散颗粒燃料寿期长度不足,反应性水平下降快、幅度大,需要适当提高富集度、燃料颗粒浓度和尺寸;减少栅距以降低慢化水平,可以改善其负反馈性和固有安全性。此外,通过加入颗粒浓度0.2%、半径300μm的弥散颗粒毒物,可以有效地控制反应性,使新组件在整个寿期内以基本平行的趋势接近于临界。初步论证了弥散颗粒介质基于压水堆组件应用的良好中子特性表现,具有广阔的发展前景。其次,为了进一步研究弥散颗粒介质的中子特性,基于差异模型对照法,在栅元层面上开展空间效应研究。对比研究一系列限定空间结构特征差异的模型,论证由空间结构特征差异引起的燃料、毒物中子特性变化,探究弥散颗粒介质的空间结构对燃料、毒物中子特性的内在影响机制。研究表明,弥散颗粒燃料的空间效应会提高燃料中子增殖效率和自屏蔽效应,从而提升整体反应性和中子通量水平,略微提高燃料消耗速率,但不会引起微观分层。而弥散颗粒毒物的空间效应更加严重,它大幅度地增加了自屏蔽,减少了毒物在燃耗初期的有效截面,降低了毒物的消耗速率,从而延长其寿命,得以长期控制反应性。此外,在燃耗过程中出现了严重的微观分层现象,为精确数值模拟带来了一定的挑战。再次,为了应对上述挑战,提出了一种多尺度耦合燃耗计算方法,通过微观球层模型与宏观栅元模型耦合,将弥散颗粒介质的精细求解问题转化成对简单均匀介质的快速求解问题。解决了弥散颗粒毒物在全局范围内精细燃耗求解过程中面临的计算量大和网格密度高等问题,准确高效地表征了弥散颗粒毒物在各个燃耗阶段的宏观及微观特征。与碰撞概率法相比,在保证计算精度的前提下,计算速度提高2倍左右,为弥散颗粒介质的燃耗求解问题提供了一个新的思路。最后,针对燃耗计算效率问题,提出一种新克雷洛夫子空间燃耗加速算法。通过在基于GMRES迭代的新型克雷洛夫子空间中寻找最优解,减小了目标系统的计算规模和计算量,从而达到加速求解燃耗方程的目的;在新子空间投影过程中严格地控制残差,从而保证计算精度。借助预处理技术和重启动技术,新加速算法能够更加高效稳定地收敛。验证结果表明,与全局空间的算法相比,新加速算法在保证计算精度的前提下,计算速度提高4倍以上,有效地解决了燃耗方程求解过程中的效率问题。