在先进核能系统的设计以及现役核电站的运维、延寿、退役工作中,核电安全标准对涉核作业方案的设计和工作人员的综合素质提出更高的要求。随着信息技术的快速发展,以模拟推演形式的大规模辐射场景三维实时仿真,能真实地模拟工作环境、沉浸式交互体验作业方案、评估人员辐射受照风险,已成为快速地设计与分析核领域作业方案和虚拟培训工作人员的一种重要手段,但依然存在三维辐射场景因设备模型结构复杂繁多而无法实时渲染、缺乏便捷高效的三维人机交互方式,人员受照剂量评估耗时严重等问题亟待解决。针对上述问题,本文在调研国内外核领域仿真研究现状的基础上,针对涉核作业及核领域三维实时仿真存在的问题,进行了深入的研究,基于超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC实现了针对大规模辐射场景的沉浸式三维实时仿真和精确受照剂量仿真评估,主要研究内容与创新点如下：1)提出了基于K-dimensional tree (KD树)的大规模辐射场景快速构建与优化管理方法以及基于双目视觉方法的场景立体渲染方法,发展了面向核设施大规模辐射场景的实时交互渲染方法,实现了大规模虚拟场景实时交互渲染,结合六自由度三维人机交互,提高了人员作业方案设计与优化的效率。2)提出并实现了基于统一计算框架(Compute unified device architecture, CUDA)的多人协同作业受照剂量实时评估方法。本文基于CUDA的流处理器、共享显存硬件框架和并行计算流程模型,发展了辐射环境中人体体素级受照剂量的并行计算方法,显著降低百万量级体素人体模型的受照剂量计算时间,满足涉核作业三维仿真中对人体辐射剂量计算的实时性要求。3)设计并构建了能够进行高沉浸感实时交互仿真原型系统,并应用到加速器驱动次临界系统铅基堆换料机的维修更换作业方案设计与验证中。该系统可直观交互演练与优化作业过程,并实时评估人体受照剂量,对于提高核设施的工作方案的设计与验证效率、辅助优化方案、丰富人员辐射安全防护培训方式和降低核能从业人员培训成本等具有重要意义。