超临界二氧化碳(S-CO2)具有存储量大、廉价易得等优点,将其用作冷却剂可以提高循环效率。本文以S-CO2作工质,并与球床堆相结合,设计了 S-CO2直接冷却堆芯的模块化球床反应堆。首先,针对S-CO2球床堆中使用的燃料组件进行了概念设计,使用CFD方法分别比较了采用不同的燃料球堆积方式和不同的燃料组件形状其热工水力性质的异同点,为后续的堆芯热工水力概念设计选取了规则燃料球的堆积方式和圆柱形的燃料组件。然后,根据燃料球的物理特性及安全性要求制定了反应堆堆芯热工水力设计准则,采用单通道法进行了堆芯热工水力的概念设计,所得结果可以满足设计准则要求。并对堆芯的高径比和燃料球半径进行了参数敏感性分析,可知燃料包壳表面温度随燃料球半径的增大而升高;堆芯高径比越小,包壳峰值温度越低且最高温度的位置越靠近堆芯出口处。最后以上述研究得到的热工水力概念设计参数为基础,采用CFD中多孔介质非热平衡法对单个燃料组件内的燃料及冷却剂热工水力特性进行了数值模拟及结果分析;然后对CFD中多孔介质附加了不同的动量源模型,并分析了三种计算方法的差异。采用德国安全标准(KTA)模型计算所得的压降最小,几种模型计算所得温度的结果差异不大。最后,对预设工况下的燃料组件进行了热工水力的计算,得到超过燃料温度限值的工况。