由于天然钍中不含有任何易裂变核素，因此必须向其中加入额外的易裂变核素以提供裂变中子使232Th转换为233U。向钍基燃料中加入易裂核素将涉及两个基本问题，一个是钍含量问题，即应向燃料中加入多少易裂变核素和钍；另一个是空间分离效应，即加入的易裂变核素和钍在空间上应如何混合。按照空间分离尺度递增的顺序，在柱状高温气冷堆中有4个空间分离尺度：无分离级、TRISO级分离、燃料棒级分离和组件级分离。围绕钍含量和空间分离效应，本文计算了各个空间分离尺度和各个钍含量下堆芯平衡循环的性能，揭示了多尺度空间分离效应的机理，最后通过燃料成本确定了最佳分离尺度和最佳钍含量。　　为了获取堆芯平衡循环性能，基于反应堆物理计算两步法使用DRAGON V4程序搭建了一个能模拟柱状高温气冷堆换料的计算平台。由于换料方式和空间分离尺度均能显著地影响堆芯平衡循环性能，为了单独研究多尺度空间分离效应，首先对一批换料方案下的多尺度空间分离效应进行了分析。分析结果表明多尺度空间分离效应产生的根源是232Th和238U核物理特性不同，而空间自屏效应通过增强232Th对中子的吸收和减弱238U对中子的吸收将二者的差异进一步放大。　　虽然上述研究已证实当采用相同换料方案时，多尺度空间分离效应有利于堆芯性能的提高，但是当采用不同换料方案时，多尺度空间分离效应的这种优势是否依然存在却不得而知。为此，本文进一步研究了不同三批优化换料方案下的多尺度空间分离效应，其中三批换料方案的优化采用了遗传算法。结果表明三批优化换料方案下，多尺度空间分离效应仍有利于堆芯性能的提高。因为多尺度空间分离效应产生的根源是232Th和238U不同的中子吸收截面以及233U和239Pu不同的增殖特性，换料方式的改变只会影响堆芯性能的绝对数值而不会改变其变化趋势。如果以燃料成本作为评价准则，最佳空间分离尺度为组件级分离，当钍含量为40％左右时，各分离级的燃料成本差异最大，可达16.7%；最佳钍含量为90%，以无分离级为例，钍含量从0%增加到90%，燃料成本可降低18.4%。