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核反应堆系统是涉及多种物理过程的复杂系统,考虑多物理过程相互作用的多物理耦合模拟可获得高保真的反应堆状态,是当前反应堆设计和分析的需求。由于缺乏实验数据及历史运行数据,先进反应堆的设计过程需要基于由多物理耦合模拟提供的高可靠性分析数据。对于大部分在运反应堆,通过基于高保真的多物理耦合模拟,可减少由于计算误差偏大导致的设计安全裕量,提高反应堆的经济性。当前反应堆设计和分析对于高保真多物理耦合模拟的需求,使得反应堆多物理耦合模拟成为核能领域的研究热点。在反应堆中子学(包括中子输运和燃耗)-热工水力学耦合模拟中,广泛采用了基于蒙特卡罗(蒙卡)方法的中子学计算模型,但存在蒙卡方法固有统计误差导致的耦合过程数值不稳定问题,以及蒙卡中子输运计算模型的构造实体几何(Constructive Solid Geometry,CSG)与其它物理场模型网格间的数据映射问题。本文基于中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC“超级蒙卡”,针对基于蒙卡方法的中子学-热工水力学耦合模拟涉及的关键方法进行了研究。针对蒙卡中子输运-热工水力学耦合模拟,本文在数据映射方法研究中,基于参数曲面实体裁剪方法,提出了适用于不同热工水力学模型的通用数据映射方法,并在耦合求解策略研究中,采用随机逼近方法减少了统计误差的影响。基于SuperMC多物理耦合框架,实现了包含计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)程序Fluent以及子通道程序SUBCHANFLOW两种热工水力学程序的蒙卡中子输运-热工水力学耦合模拟功能,算例结果与MCNP/Fluent、MCNP/CTF等吻合良好,验证了耦合模拟的正确性和有效性。针对蒙卡中子输运-燃耗-热工水力学耦合模拟,本文提出了基于随机逼近的改进半预估修正算法,提高了大燃耗步长下结果的准确性,同时减少了统计误差对耦合数值稳定性影响。基于SuperMC多物理耦合框架,实现了蒙卡中子输运-燃耗-热工水力学耦合模拟功能,通过算例验证了提出的耦合求解策略对燃耗步长包容性的改进。最后,本文使用基于蒙卡方法的中子学-热工水力学耦合模拟对一个典型液态金属冷却空间反应堆进行了分析及优化,展示了本文耦合模拟在小型先进反应堆中的综合应用能力。