目前一代轻水堆堆芯物理分析理论和数值计算方法形成于上世纪七十年代末。受限于当时计算机的硬件条件，理论上存在近似和不足的现行堆芯物理分析方法已难以满足当今日益复杂的堆芯设计需求。因此，近些年国际上广泛地开展了下一代（第三代）轻水堆堆芯数值计算理论和方法（Next Generation Methods，NGM）的研究。NGM研究工作贯穿整个反应堆物理数值计算理论的各个环节，包括多群核数据库的研制，共振计算方法的研究，堆芯非均匀性处理方法等等。本研究工作主要聚焦于堆芯计算中三维非均匀效应的处理这一重要环节，在已有研究工作的基础上对轻水堆堆芯设计中越来越突出的轴向三维非均匀性开展了针对性的研究，并建立了相应的基准问题用于验证在NGM研究中提出的方法和模型，最终形成了以径向反照率边界条件下的三维单组件均匀化模型为基础而在堆芯层面沿用粗网计算及精细功率重建模型的NGM主体技术路线。　　首先，本文基于半解析节块方法理论研制了NGM的堆芯计算工具PLUM程序。PLUM程序在节块展开函数部分采用了国际上比较通行的半解析基函数，具体迭代求解过程则采用更具稳定性的全堆流扫描的耦合求解方式。另外，PLUM程序采用了具有较高灵活性和较好加速效率的粗网有限差分加速方法。PLUM程序基于多群理论，对多群散射矩阵进行了优化存储，同时对于多群计算时会出现的上散射问题采取了针对性的算法优化。　　其次，本文分别提出了用作NGM算法模型研究的单组件和小堆三维基准问题，并在基准题上开展了一系列针对性的算法模型研究，并逐渐明确了堆芯三维非均匀性的处理方法。单组件三维基准题采用实际工业设计的沸水堆组件，并模拟实际沸水堆堆内常见的轴向冷却剂密度分布；该问题的参考解通过三维输运计算程序TORT直接作三维非均匀输运求解获得，同时基于两维栅元均匀化截面的三维细网扩散解也能够较好地与参考解吻合；本文还针对该基准题开展了NGM均匀化模型的研究，分析并探讨了该基准题中显著存在的轴向非均匀性以及解决该问题的策略和手段。小堆基准题由36个标准沸水堆组件构成，堆内同时存在新燃料和经过了一个循环燃耗的旧燃料，同时在径向和轴向均布置有水反射层，堆内有控制棒插入，该基准题更加接近实际反应堆状况。本文提出的NGM方法在堆芯计算部分仍然沿用粗网节块方法，但节块均匀化参数（中子截面，不连续因子）则基于特殊的非全反射边界条件下的单组件三维细网模型产生；除了用于粗网节块法求解的节块均匀化参数，该均匀化模型还会产生用于精细功率重建的三维棒通量形状因子，该精细功率重建方法也有别于传统的重建方法，其充分挖掘三维均匀化模型所包含的可靠的棒通量分布信息，同时在实现上也更加简单。数值试验证明，本文提出的NGM方法能够较好地处理该小堆基准题客观存在的复杂的三维效应，无论是堆芯宏观参数还是逐棒的功率分布结果都具有很高的求解精度，能够较好地解决和突破目前一代方法所遇到的实际困难和局限。　　同时，本文也探讨了在NGM三维堆芯模型中直接采用全堆逐棒建模方式的可行性。通过在不同规模问题上进行的数值试验可以发现，如果采用合适的粗网有限差分加速方法加速计算过程，全堆逐棒计算模型总的计算量随着问题规模的扩大具有接近线性的规律。这说明若采用相同的轴向网格剖分，直接全堆逐棒模型与上述在线三维单组件均匀化+粗网节块模型在总体计算量上处于相同的水平。通过对轴向网格模型的进一步优化，并针对性开发具有较高并行效率的并行算法，未来NGM计算直接采用全堆逐棒模型也是完全可行的。　　本文还针对目前一代方法中控制棒部分插棒问题进行了专题研究，提出了轴向动态子网格方法用于解决此问题。数值检验证明，该方法能够精确模拟部分插棒网格的热区通量分布；另外，动态子网格在应用时，非部分插棒网格仍然维持既有的轴向粗网剖分，这使得问题规模与传统处理方式保持基本相当，是一种既精确又高效的处理方法。控制棒微分价值曲线的数值模拟证明了该方法能够有效避免传统简单体积均匀化方法所带来的“尖端效应”，获得更接近物理实际的价值曲线。同时动态子网格方法还可用于定位格架的直接显式表达，提供更精确的轴向功率分布。　　需要指出的是，动态子网格方法同样可以用于NGM研究中的三维逐棒模型，优化其轴向网格剖分，仅在存在较强轴向非均匀性的少数通道内的对应区域采用动态子网格技术进行细网格剖分，以保留问题的三维非均匀特征，而在其他区域使用统一的轴向粗网剖分，从而使得问题的计算规模可控，大大提高三维逐棒模型的实用性。