超临界水冷反应堆(SCWR)是国际上选中的六种四代堆中唯一的水冷堆,具有经济性、延续性及可持续性等诸多综合优势,是借鉴现有压水堆、沸水堆和超临界火电的设计、建造和运行经验,提出的一种新的概念设计堆型。选取超临界水作为工作介质,堆芯出口压力25 MPa,温度500℃。超临界水自然循环流动及传热的研究,对缓解堆芯事故及第四代超临界水堆堆芯余热排出系统的设计,具有理论意义。首先,引入析因分析方法研究了不同因素对超临界水自然循环稳态流量和脉动周期的影响。分析结果显示,在对稳态流量的影响中,入口阻力系数所占的百分比贡献率约70.89%；加热段长度和入口温度交互作用的百分比贡献率为13.26%；加热段长度的百分比贡献率为12.32%。在对脉动周期的影响中,加热段长度的百分比贡献率为68.47%；入口阻力系数的百分比贡献率为24.04%。根据分析结果,在实验装置设计时,可为实验段的进出口安装节流阀,以保证对出入口阻力系数的控制；设计实验段的加热器分段可调,以保证加热部分长度可调。根据析因分析结果和自主开发的超临界水自然循环实验装置计算程序EFDSCW1.0,设计并搭建了超临界水自然循环实验台架。同时,设计了强迫循环双通道实验段,为以后实验段改造奠定基础。其次,以上述所设计的超临界水自然循环实验装置及双通道实验段为对象,开展CFX数值模拟,得到了自然循环系统中的稳定边界,及双通道系统内脉动振幅与脉动周期随各热工参数的变化趋势。在自然循环回路中,随着加热功率的增加,回路内的自然循环流量出现了先增加后减小的趋势；随着系统压力的增加,相同入口温度下,稳态流量逐渐减小,但是变化幅度很小。即系统压力对自然循环系统中,稳态流量影响较小。对于双通道系统,在不对称加热的情况下,通道内的脉动振幅随着不对称加热程度的增加而增加,脉动周期有所减小。入口温度对流量脉动的影响并不是单值性的,存在一个入口温度阈值,在该值以下随着入口温度的增加,系统稳定性减弱；在该值以上,随着入口温度的增加,系统稳定性增强。增加系统的入口质量流速,有助于增强系统稳定性。再次,为了深入分析超临界水流动不稳定现象,引入已有参考文献中超临界水流动不稳定性实验数据,并在课题组已有的低压两相流实验装置中进行实验。分析了超临界水与汽液两相流在流动不稳定性方面的异同。在超临界水及汽液两相流中均出现小尺寸的通道更容易发生流动不稳定性的现象。对于超临界水及汽液两相流,给定几何模型,在相同的入口流量、入口温度及工作压力下,逐渐增加系统的加热功率,将存在一个功率阈值,加热功率小于功率阈值时,系统流动稳定,一旦加热功率超过了稳定阈值,系统将变得不稳定。超临界水与汽液两相流一样,也存在密度波不稳定性和流量漂移现象,但是超临界水双通道系统中流量漂移现象很难发生。给出超临界水密度波不稳定性的发生机理,即质量流速,密度和压降之间传播的延迟和反馈作用,造成的流量、密度等参数的周期性脉动。在所研究回路中,超临界水密度波不稳定性发生时,脉动振幅没有气液两相流的剧烈,持续时间也比较短。同时发现超临界水局部不稳定性的发生破坏了壁面附近的“汽膜”,强化了传热过程。通过分析公开文献中已有的超临界水实验数据,给出了超临界水摩擦系数计算模型。对比发现,超临界水摩擦系数小于单相水摩擦系数,也小于汽液两相流的摩擦系数。最后,通过实验分析及引入遗传神经网络的方法,分析了超临界水传热恶化现象。在实验数据相对缺乏的状态下,遗传神经网络可以模拟传热恶化现象。超临界水的换热系数没有出现类似汽液两相流中,一段时间内保持恒定不变的情况。超临界水的换热系数随着加热功率的增加先逐渐增加,达到一个峰值之后,开始迅速下降,或者缓慢震荡之后又迅速下降。在对超临界水传热恶化的分析基础之上,发现超临界水浮升力的存在使边界层加厚、热加速的存在会造成流动层流化,二者均会导致传热恶化。另外,给出了一个适用于超临界水自然循环流动换热的努塞尔数公式,换热公式与陈玉宙等的实验值数据符合良好,误差落在了土20%的范围内。