中国先进研究堆(China Advanced Research Reactor,简称“CARR”)是中国原子能科学研究院计划于2006年建成的一座核功率达60MW的多功能研究型反应堆,该堆芯的最大中子注量率可达1×1015n/(cm2·s)。冷中子源(Cold Neutron Source,简称“CNS”)系统是CARR中子散射试验的重要组成部分。该系统用于将来自于反应堆堆芯的中子束进行慢化处理,使其速度降低,密度增加,获得冷中子。这种中子是在分子原子水平上研究物质结构和微观运动规律的理想工具。然而CARR堆核功率高,能设计的国家只有美、俄、德、日、法等,可供参考的资料很少。因此本文对冷中子源设计中的两个关键问题——慢化包(俗称冷包)内气液两相氢含气率和慢化包结构优化进行了研究。并对与设计密切相关的几个问题如气泡上升速度的物性影响因素,含气率的物性影响因素等进行了研究。1)对各种慢化包结构进行比较和优化,选择中空圆柱型带氦助冷、液氢层为月牙形的双层冷包结构作为CARR的冷包。此种冷包对核发热有一定程度的减小,对冷中子亮度有较明显的增加,含气率也较低。2)首次对中空圆柱型带氦助冷、液氢层为月牙形的双层冷包结构采用商业软件进行了强度计算,对应力集中处提出补强措施。通过补强,冷包各部分应力均限定在额定的范围内。3)建立了单气泡上升速度实验台,对不同物性条件下的气泡上升速度进行了测量,以确定气泡上升速度和工质物性的关系。经过研究首次提出,气泡的上升速度取决于液相表面张力与密度的比值,此比值越大,气泡上升速度越大。4)采用有机玻璃制作了一个冷态的模拟冷包,通过鼓入空气量来模拟产气量,在具有不同物性的工质中进行实验,以找出物性对含气率的影响因素,为选取合适的模拟工质进行沸腾含气率实验提供理论依据。通过实验和分析首次提出液相的表面张力与密度的比值是含气率的物性决定因素,此比值越大,含气率越低。R113的表面张力与密度的比值低于液氢的相应值,因此可以选用R113作为两相氢循环试验的模拟工质进行循环试验,而且结果偏于保守。5)首次在国内制作了两套完整的气液两相循环模化试验系统。其中一套的冷包为中空圆柱型不带助冷通道;另一套的冷包为中空圆柱型带助冷通道,液氢层为月牙形。通过这两套系统在国内首次揭示冷包液位的变化规律,气液两相氢循环热物理工作过程自调节规律,以及冷包含气率大小数据。6)对中空圆柱型不带助冷通道的冷包和中空圆柱型带助冷通道、液氢层为月牙形的双层冷包循环系统进行了理论分析和计算。发现只要合理控制其中的参数,便可以实现杯芯内为氢气,杯芯外为沸腾两相氢的设计预想,并通过实验证实在启动阶段冷包的杯芯中能迅速产气,并很快形成杯芯中含气体、环腔内含两相氢的慢化剂结构型式。