乏燃料水池是反应堆重要的辅助性设备之一，从反应堆内卸出的乏燃料都需在该水池内进行中间冷却，待其放射性及衰变热达到一定标准后再进行转厂和后处理。无论在正常运行还是在外部主冷却系统失效后，乏燃料水池内都存在着全池的复杂的自然循环，它对整个系统的安全性至关重要。因此对自然循环下的整个乏燃料水池系统进行研究和分析具有重要的现实意义。本文以RELAP5为研究工具，以大亚湾乏燃料水池为研究对象进行建模，开展了多种稳态及瞬态工况的计算分析，首先计算了不同主冷系统回水口布置方式下的整个水池稳态运行时池内的自然循环状况及流场、温场的分布情况，并对不同布置方式下的计算结果进行比对分析；之后，本文进一步讨论了当外部主冷却系统失效后，池内流体的温度变化情况，并估算出池水从稳态达到沸腾时所需的时间及液位下降到贮存格架顶部使燃料开始裸露时所需的时间；最后本文提出了一种当主冷却系统失效后池外非能动冷却系统的建立方案，该设计方案可以在池外冷却系统失效后很好地将池内的衰变热带出，提高系统的安全性。计算结果表明：对于不同的主冷系统回水口布置方式，乏燃料水池内均存在着明显的自然循环，在自然循环影响下池水从稳态达到沸腾进而使液位下降到燃料裸露所需时间是相对较长的，如果在该时间段内采取一定的补救措施就不会导致乏燃料水池严重事故的发生。当回水口布置在水池顶部和中部时，池内的自然循环均包括格架底部在内，是一个全池的自然循环；对于将回水口布置在水池底部的方式，其池内的自然循环仅存在于格架上部的水空间内，而并不包括水池底部，但在该方式下，池水的平均温度与其它两种布置方式相比是最低的，进而可以从降低池水温度方面突出这种回水口布置方式的优越性。事故工况下，不同的回水口布置方式，池水从稳态到达沸腾时所需的时间及沸腾后致使燃料裸露的时间均不相同，但差别不大，分别为16.7个小时左右和5天左右，而在整个瞬态过程中，池内仍然存在着明显的自然循环，该自然循环的存在对于系统的安全性是十分有利的，可以将乏燃料热量持续导入上部水池空间。此外，本文通过结果对比可以发现：RELAP5不同节点划分方法对于系统的计算结果是存在一定影响的，在应用RELAP5进行计算时，很有必要根据典型实测数据对节点划分的不同方法进行讨论，以获得较为精确合理的计算结果。最后，本文通过详细的计算和分析，证实了所提出的非能动冷却系统的合理性，该系统的提出对于乏燃料贮存事业的今后发展具有重要的指导作用。本文对乏燃料水池内多种节点划分方案下的自然循环特性进行了详细的计算分析，并对主冷却系统失效后池外非能动冷却系统的建立进行了细致的讨论，所获得的结果可为核电站乏燃料水池的工程设计提供参考。