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氟盐冷却高温堆(Fluoride salt-cooled High-temperature Reactor,FHR)作为第四代先进核反应堆六种候选堆型之一，采用熔盐冷却和已成熟的三结构同向性型（TRi-structural ISOtropic，TRISO）包覆燃料颗粒技术，使其具有很多固有的安全性。本论文以FHR中燃料球为研究对象，以优化新燃料组分、燃料球的结构尺寸等参数的方式，从中子物理学上对钍燃料利用进行一系列分析，给出高燃耗并符合运行安全的燃料球结构设计。
论文中的中子物理模拟采用蒙特卡洛方法，工具是采用橡树岭国家实验室开发的Standardized Computer Analyses for Lisensing Evaluatio(SCALE)6.1软件，其中分别使用SCALE6.1中自带的CSAS6模块和TRITON模块进行临界和燃耗计算。破损率的计算采用PANAMA理论模型来进行。
本论文在FHR上利用钍资源，首先考虑燃料组分和燃料球结构的问题。在六种燃料组合的对比分析基础上，选取FHR上最适合钍利用的一种燃料组合即233UO2232ThO2进行研究。开展了燃料组分参数233U占重金属比重（233U/HM）从5.0％到20.0％和燃料球结构参数碳与石墨原子数比(C/HM)从66到800的研究，对这些参数在FHR上表现的中子物理性能进行对比分析，主要分析了堆芯初始剩余反应性（keff）、堆芯初始温度反应性系数、转换比(CR)、燃耗和对应的易裂变核素的利用率，给出了适合这种大功率FHR的燃料球组分和结构设计参数。计算结果显示:考虑熔盐中产生空泡时堆芯应处于固有安全状态，设计上选取堆芯处在欠慢化区即keff随C/HM增大而增加的区域，并选取233U/HM最高的20.0％所能达到欠慢化与过慢化的交界处的最大C/HM为400作为以后讨论的范围;进一步分析了堆芯的中子能谱和能谱因子以及堆芯的中子平衡随233U/HM和C/HM的变化规律;为保证堆芯固有的负反馈的要求，将C/HM的范围缩小到304以下，并详细分析了233U/HM和C/HM对堆芯燃料温度反应性系数(FTCR)、冷却剂空泡反应性系数(CVRC)、总温度反应性系数(TCR)的影响;在缩小的233U/HM和C/HM范围内，分别针对固定233U/HM和固定C/HM的情况，分析了堆芯的燃耗演化规律以及演化过程中的CR变化规律;为保证燃料的高效利用，引入单位易裂变核素燃耗的概念，分别固定233U/HM和C/HM，对堆芯的燃耗深度和易裂变核素燃耗进行筛选，并推荐最优233U利用的一种燃料球结构形式即233U/HM=12.5％、C/HM=124。
其次，针对以上优化的结果，选取233U/HM为12.5％的燃料组分形式，对究燃料球内的TRISO包覆燃料颗粒结构开展设计优化。燃料球内的TRISO包覆燃料颗粒采取紧挨着彼此的排布方式，分别对其kernel半径、包覆层厚度和包覆层密度进行研究。对比分析了kernel半径从0.005cm～0.06cm情况下的堆芯初始剩余反应性、堆芯初始中子能谱和能谱因子。在FHR中，kernel半径的改变仍需要空泡产生时堆芯安全的问题，将kernel半径优化范围缩小为0.01cm～0.06cm。对kernel半径的优化也要保证堆芯固有的温度负反馈要求，研究了堆芯温度反应性系数(TCR)随kernel半径的变化情况。计算结果显示:TCR都为负值且随kernel半径的增大逐渐变小，当kernel大于0.04cm时，负反馈随kernel半径变化不明显，将kernel半径优化的范围缩小为0.01cm～0.04cm。裂变气体的行为会影响TRISO包覆燃料颗粒的安全性，分析了不同kernel半径情况堆芯主要的裂变气体氙(Xe)、氪（Kr）、碘(I)随燃耗的变化情况，将kernel半径优化的范围缩小为0.015cm～0.025cm。基于PANAMA模型统计出kernel半径在0.015cm～0.025cm范围内燃料球中TRISO包覆燃料颗粒的破损率随kemel半径的变化规律，将kemel半径尺寸确定为破损率最小的0.015cm。针对不同kernel半径，分别开展包覆层厚度和密度的研究，分析它们对堆芯中子物理特性的影响。计算结果显示:疏松热解炭(PrC)层和内致密热解炭层的厚度对keff的影响较大，且PrC层的厚度增加有助于破损率降低，碳化硅(SiC)层的厚度减少，会使破损率增加，密度变化对keff的影响很小。最终确定TRISO包覆燃料颗粒的kemel半径为0.015cm，包覆层的厚度和密度仍适用。
最后，在上面研究结果的基础上，对燃料球的尺寸进行优化研究，主要分析了燃料球的内径、外径和包壳厚度对堆芯中子物理特性的影响。为确保堆芯达到足够深的燃耗，燃料球的内径和燃料球的外径需要设计偏大;燃料球的包壳厚度需要降低，本论文中以燃料球包壳厚度为0.3cm为宜。对燃料球尺寸设计也要保证堆芯固有的负反馈和低破损率的要求。保持燃料球包壳厚度为0.3cm不变，对燃料球的外径进行优化研究，分析了TCR和TRISO包覆燃料颗粒的破损率随燃料球外径的变化情况。燃料球外径越大，TCR越低，破损率越大。最终，给出燃料球尺寸的推荐即燃料球的内径为2.1cm，燃料球的外径为2.4cm。这种尺寸设计的燃料球使堆芯燃耗为120GWd/tHM，TCR为-2.935pcm/K，破损率为4.511×10-7。
以上的分析从燃料球和TRISO包覆燃料颗粒设计角度在FHR和钍基熔盐堆(TMSR)上实现有效钍利用具有一定的参考价值。
论文中的中子物理模拟采用蒙特卡洛方法，工具是采用橡树岭国家实验室开发的Standardized Computer Analyses for Lisensing Evaluatio(SCALE)6.1软件，其中分别使用SCALE6.1中自带的CSAS6模块和TRITON模块进行临界和燃耗计算。破损率的计算采用PANAMA理论模型来进行。
本论文在FHR上利用钍资源，首先考虑燃料组分和燃料球结构的问题。在六种燃料组合的对比分析基础上，选取FHR上最适合钍利用的一种燃料组合即233UO2232ThO2进行研究。开展了燃料组分参数233U占重金属比重（233U/HM）从5.0％到20.0％和燃料球结构参数碳与石墨原子数比(C/HM)从66到800的研究，对这些参数在FHR上表现的中子物理性能进行对比分析，主要分析了堆芯初始剩余反应性（keff）、堆芯初始温度反应性系数、转换比(CR)、燃耗和对应的易裂变核素的利用率，给出了适合这种大功率FHR的燃料球组分和结构设计参数。计算结果显示:考虑熔盐中产生空泡时堆芯应处于固有安全状态，设计上选取堆芯处在欠慢化区即keff随C/HM增大而增加的区域，并选取233U/HM最高的20.0％所能达到欠慢化与过慢化的交界处的最大C/HM为400作为以后讨论的范围;进一步分析了堆芯的中子能谱和能谱因子以及堆芯的中子平衡随233U/HM和C/HM的变化规律;为保证堆芯固有的负反馈的要求，将C/HM的范围缩小到304以下，并详细分析了233U/HM和C/HM对堆芯燃料温度反应性系数(FTCR)、冷却剂空泡反应性系数(CVRC)、总温度反应性系数(TCR)的影响;在缩小的233U/HM和C/HM范围内，分别针对固定233U/HM和固定C/HM的情况，分析了堆芯的燃耗演化规律以及演化过程中的CR变化规律;为保证燃料的高效利用，引入单位易裂变核素燃耗的概念，分别固定233U/HM和C/HM，对堆芯的燃耗深度和易裂变核素燃耗进行筛选，并推荐最优233U利用的一种燃料球结构形式即233U/HM=12.5％、C/HM=124。
其次，针对以上优化的结果，选取233U/HM为12.5％的燃料组分形式，对究燃料球内的TRISO包覆燃料颗粒结构开展设计优化。燃料球内的TRISO包覆燃料颗粒采取紧挨着彼此的排布方式，分别对其kernel半径、包覆层厚度和包覆层密度进行研究。对比分析了kernel半径从0.005cm～0.06cm情况下的堆芯初始剩余反应性、堆芯初始中子能谱和能谱因子。在FHR中，kernel半径的改变仍需要空泡产生时堆芯安全的问题，将kernel半径优化范围缩小为0.01cm～0.06cm。对kernel半径的优化也要保证堆芯固有的温度负反馈要求，研究了堆芯温度反应性系数(TCR)随kernel半径的变化情况。计算结果显示:TCR都为负值且随kernel半径的增大逐渐变小，当kernel大于0.04cm时，负反馈随kernel半径变化不明显，将kernel半径优化的范围缩小为0.01cm～0.04cm。裂变气体的行为会影响TRISO包覆燃料颗粒的安全性，分析了不同kernel半径情况堆芯主要的裂变气体氙(Xe)、氪（Kr）、碘(I)随燃耗的变化情况，将kernel半径优化的范围缩小为0.015cm～0.025cm。基于PANAMA模型统计出kernel半径在0.015cm～0.025cm范围内燃料球中TRISO包覆燃料颗粒的破损率随kemel半径的变化规律，将kemel半径尺寸确定为破损率最小的0.015cm。针对不同kernel半径，分别开展包覆层厚度和密度的研究，分析它们对堆芯中子物理特性的影响。计算结果显示:疏松热解炭(PrC)层和内致密热解炭层的厚度对keff的影响较大，且PrC层的厚度增加有助于破损率降低，碳化硅(SiC)层的厚度减少，会使破损率增加，密度变化对keff的影响很小。最终确定TRISO包覆燃料颗粒的kemel半径为0.015cm，包覆层的厚度和密度仍适用。
最后，在上面研究结果的基础上，对燃料球的尺寸进行优化研究，主要分析了燃料球的内径、外径和包壳厚度对堆芯中子物理特性的影响。为确保堆芯达到足够深的燃耗，燃料球的内径和燃料球的外径需要设计偏大;燃料球的包壳厚度需要降低，本论文中以燃料球包壳厚度为0.3cm为宜。对燃料球尺寸设计也要保证堆芯固有的负反馈和低破损率的要求。保持燃料球包壳厚度为0.3cm不变，对燃料球的外径进行优化研究，分析了TCR和TRISO包覆燃料颗粒的破损率随燃料球外径的变化情况。燃料球外径越大，TCR越低，破损率越大。最终，给出燃料球尺寸的推荐即燃料球的内径为2.1cm，燃料球的外径为2.4cm。这种尺寸设计的燃料球使堆芯燃耗为120GWd/tHM，TCR为-2.935pcm/K，破损率为4.511×10-7。
以上的分析从燃料球和TRISO包覆燃料颗粒设计角度在FHR和钍基熔盐堆(TMSR)上实现有效钍利用具有一定的参考价值。