中国聚变工程实验堆(CFETR)是中国磁约束聚变能计划的下一步装置,旨在消除国际热核聚变实验堆ITER和未来聚变堆DEMO之间的技术鸿沟。它需要实现第一阶段200MW聚变功率以及第二阶段1.5GW聚变功率,等离子体运行因子达到0.3-0.5的长脉冲或稳态运行,实现氚自持以及演示聚变发电等。水冷固态包层是CFETR的候选包层概念之一,承担着生产氚以及能量转化等重要功能。一回路系统承担着从包层获取能量并将能量传递给二回路用于发电的功能。水冷固态包层的一回路系统,在各阶段稳态运行时,需要保证系统热工参数在合理范围内运行,确保带走包层的热量用于发电;在事故情况下,系统需要带走包层的衰变余热,防止相关结构超温超压,保证结构的完整性,包容放射性物质。开展水冷包层一回路系统热工水力设计与安全研究,对CFETR的高效发电和安全运行具有重要意义。首先对典型水冷固态包层模块,使用RELAP5程序开展了稳态与事故条件下热工安全分析。稳态分析结果显示包层满足稳态运行的设计要求。对in-vessel LOCA、in-box LOCA和ex-vessel LOCA三种事故进行了初步安全分析,分析结果表明,在采取了安全措施后,事故过程中各设备没有出现超压,FW温度没有超过温度限值。针对CFETR两个阶段运行的目标,提出了水冷包层一回路系统的热工水力设计原则与运行方案。设计原则为使用一套系统在两种不同聚变功率下运行。运行方案为保持一回路冷却剂平均温度不变。根据设计原则与运行方案对两个运行阶段的热工参数进行了设计。以大功率1.5GW聚变功率为基础,对PHTS的空间布置、主要管道、蒸汽发生器、主泵和稳压器进行了初步设计。基于本文设计的CFETR水冷包层一回路系统,使用RELAP5程序建立了一回路系统模型,对系统Phase I与Phase II两个运行阶段进行了稳态分析,稳态结果表明水冷包层一回路系统能够在两个阶段稳定运行。基于稳态结果,对水冷包层一回路系统在两个运行阶段,分别进行了失流事故和热阱丧失事故的计算分析。首先分析了不采取干预措施情况下事故的进程与后果,然后根据事故后果提出了关闭等离子体反应,恢复给水等事故缓解措施。对于关闭等离子体的方式,分别考虑了快速等离子体停堆(1s)和正常等离子体停堆(60s)两种方式。最后分析了在采取事故缓解措施情况下系统的响应,分析结果表明所采取的缓解措施是有效的,反应堆能够安全停堆。在前文包层一回路系统设计方案的基础上,提出了水冷包层一回路系统第二种设计方案。使用RELAP5程序建立了第二种方案的模型,并对系统在Phase I和Phase Ⅱ两个阶段进行了稳态分析,分析结果与设计值基本保持一致。在稳态结果的基础上,对Phase Ⅱ功率下的一回路系统在冷却剂失流事故与热阱丧失两种事故下进行了事故分析。结果显示对于失流事故,第二种设计方案更加安全;对于热阱丧失事故,第二种方案设计没有明显的优势。本文针对CFETR两个阶段的运行目标,开展了水冷固态包层一回路系统的热工水力设计与典型事故情况下的安全研究,相关研究成果将有助于理解CFETR一回路系统多功率运行下的设计与安全特点。