复杂网络理论为诸多学科提供了崭新的视角，经过近二十年的发展在众多领域产生了令人瞩目的交叉科研成果，揭示了现实世界中一些复杂系统的内在规律，加深了人们对于传播、演化、同步、控制、推荐等问题的认识。就研究对象而言，反应系统是复杂网络研究的一个大类，人们关心系统的宏观结构如何描绘，反应通路分布在什么位置，具体的反应关系对应于系统中的哪些功能等问题——结构是系统的基础，也决定了系统的许多功能。作为基本的反应类型之一，核反应是形成物质世界的基础，也是能量的重要来源，特别是关于核天体物理的研究，对探索宇宙的起源与演化起着至关重要的作用，涉及反应率、核素稳定性、核合成过程等热点问题。经典的核反应研究注重单个反应或局部过程，缺乏对系统整体的讨论，因此运用复杂网络理论对其进行分析是十分有益的尝试。然而，由于反应往往具有多条件、多类别的复杂特征，单层网络的抽象方法难以描述完整的结构，容易丢失关键信息。多层网络则通过进一步区分系统个体之间的相互作用弥补了单层网络的不足，提高了考察结构的分辨率。目前，对于包括核反应在内的反应系统，多层网络的相关研究甚少。因此，本文以核反应的基本要素为着手，从微观到宏观，从还原论到整体论，深入研究了核反应系统的结构特征。研究工作主要从以下几方面展开:　　1、推进对于反应率、反应截面和反应过程的认识与应用。从核反应的基本要素出发介绍其物理理论，讨论了不同核反应系统中反应率、反应截面以及反应过程的差别，并分别通过核物理实验装置中的中子吸收片，以及核能中熔盐堆的中子扩散模型为例进行说明。核物理中的核反应网络方法以各种核数据作为输入参数，模拟计算部分系统的演化。这些经典的核反应研究均以还原论为主导，注重单个或局部的反应，对应于简单的拓扑，如星形、环、链。核反应与图论的关联显示出从整体研究核反应系统的重要性。　　2、提出改进的反应网络构网方法，从宏观角度统计分析了核反应系统。传统构网方法容易受“货币粒子”干扰，或者丢失较多的重要拓扑信息。本文在分析核反应关系数据库REACLIB时提出了反应物-产物与多层网络的混合构网方法，即将核素映射为节点，反应关系映射为连边，根据生成核素所需的不同粒子，将连边分为中子、质子、α粒子和其它共4种类别，连边权重对应于反应率，得到由n、p、h三层较规则网络和r层较复杂网络组成的多层网络，揭示了核反应系统不同于常见现实世界系统的结构。由传统单层网络定义的度量指标未必有合理的物理意义与其对应，而混合构网方法则有效地保留了系统的关键信息。研究还发现，随温度变化的边权演化帮助较规则网络产生复杂的现象。　　3、进一步发现核反应系统的物理属性和结构特征之间的相关性。从复杂多层网络角度对于稳定核素定义了度值差、节点重叠系数两个网络结构特征度量指标，体现了稳定性是关于反应中出和入的平衡结构;r层包含着丰富的结构信息，对应着核素自身的分解转化，反应环境温度较低时，节点强度与不稳定核素的半寿命值也存在明显的确定关系。基于这些相关性，本文对未探明半寿命值的核素给出了预测值。另外，结合r层网络与核反应中中子俘获过程的相关性，研究对r过程的反应路径也给出了基于度值差的判定条件。　　4、通过模体规律预测核反应网络结构演化，给出稳定岛的可能拓扑。探讨了稳定岛预测遇到的问题，以及模体在复杂系统中的普遍现象。结合模体的结构及其空间特征与核反应物理属性的对应，进一步描绘了核反应网络n、p、h层的规律结构，即单一模体在分层网络上重复叠加，并在幻数82附近和边缘发生衰减;r层网络存在多种模体，但均属于同一类别;稳定核素与邻近非稳定核素往往只相差一条连边的方向。通过对超重核区域基于模体规律作出的假设，并结合稳定核素判断条件，给出了稳定岛中可能存在的稳定核素拓扑预测。　　多层网络相关理论在对核反应系统的分析中显现了其作为整体论方法的优点，是对经典核反应理论研究的补充，同时也丰富了复杂网络关于反应系统的研究，推动总结普适规律。本研究探讨了核反应系统的宏观结构特征，找到了核数据与网络结构特征的一些关联，进而给出了物理上的预测，为核天体物理问题的探索提供新的思路。