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TRISO（tristructural-isotropic）型包覆燃料颗粒（简称TRISO颗粒）是专门为高温气冷核反应堆设计的新型燃料,由于其优异的安全性和高效率,从而受到世界各国的广泛关注。TRISO颗粒由核芯燃料及表层疏松热解碳层（Buffer）、内致密热解碳层（IPyC）、碳化硅层（SiC）和外致密热解碳层（OPyC）组成,其直径约为1 mm。TRISO颗粒作为燃料元件的基本组成单元,主要功能是约束燃料和放射性裂变产物,同时有效地传导核裂变释放的热量。因此,无论在正常运行工况下,还是在事故条件下,TRISO颗粒的服役状态关系到反应堆的安全运行。在高温气冷反应堆正常运行工况下,TRISO颗粒的温度可达1200℃。然而,在复杂的服役条件下,特别是发生进气/进水事故工况时,TRISO颗粒中SiC层的高温氧化行为和断裂强度将降低其阻挡裂变产物释放的能力。同时,TRISO颗粒包覆层的热导率决定了TRISO颗粒内部的温度分布,进而影响热能导出效率,甚至导致TRISO颗粒的失效等。因此,设计新型燃料包覆体系以满足反应堆更高温度和更高燃耗的需求是TRISO颗粒未来发展的重大挑战。本文主要研究内容和进展如下:首先,针对TRISO颗粒在进气/进水事故工况下的安全性,本文对TRISO颗粒中SiC层在大气和水蒸气环境中分别进行了900℃1400℃的氧化实验。与大气氧化相比,水蒸气的存在促进了非晶态SiO2向晶态SiO2的转变。随着氧化的进行,SiO2结晶和晶相转变等变化导致SiO2层中形成裂纹,甚至发生剥落。SiO2层结构的破坏进一步加快了SiC的氧化速率,导致SiO2层内孔洞和碳的形成。SiC在大气中遵循线性-抛物线的氧化规律。然而,在水蒸气中,SiC的氧化规律在高于1200℃时发生由线性-抛物线规律向抛物线规律的转变。氧化速控步骤为氧气或水蒸气分子在氧化层中的扩散。SiC层的断裂强度和Weibull模量随着氧化温度的升高而显著降低,主要取决于SiC层外半径与厚度的比值。其次,为分析TRISO颗粒在高温环境中运行的热效率和安全性,本文首次提出采用拉曼光谱法研究TRISO颗粒包覆层的热导率。基于激光加热原理,利用拉曼激光既作为激发源又作为加热源,建立了拉曼光谱法测热导的三维模型,并深入分析了光斑尺寸、激光探测区域和激光吸收率等因素。经计算可得Buffer层、IPyC层和OPyC层的热导率分别为8.9±0.2 W/m·℃,13.9±1.5 W/m·℃和11.9±0.9 W/m·℃。低织构PyC层热导率的差异主要取决于其微观结构,如孔隙度、碳颗粒尺寸和缺陷密度等。采用Matlab软件模拟激光热效应可得到激光在SiC材料中的三维热影响区域远远超出了TRISO颗粒中SiC层的范围。因此,邻近的PyC层会限制SiC层中热流的传导。此外,影响SiC层热导率测量的因素还有激光在SiC中的热效应不明显和探测区域较大等。最后,为进一步提高TRISO颗粒在更高燃耗和更高温度下的运行安全性,本文基于SiC优异的热导性能和抗辐照性能,设计了新型SiC基包埋TRISO颗粒元件（FCM）。采用放电等离子体烧结（SPS）法制备FCM元件,并系统研究了SPS工艺对SiC和FCM的微观结构、力学性能和热导率的影响。SPS能实现短时间内快速烧结,从而减轻了高温烧结过程的热效应对TRISO颗粒微观结构和性能等的影响。在FCM制备过程中,TRISO颗粒中OPyC层与SiC基体界面发生氧化反应,生成的气体产物导致在SiC基体中形成多孔SiC区域。基于Maxwell-Eucken模型可得含OPyC层/不含OPyC层的TRISO颗粒的有效热导率分别为14.4 W/m·℃和25.2 W/m·℃。采用Comsol multiphysics软件模拟FCM中热流场分布可知,SiC层的热导率对TRISO颗粒的有效热导率起决定性作用,然而OPyC层和OPyC/SiC界面缺陷会阻碍热流流经SiC层,导致FCM的热导率降低。相比于含OPyC层的TRISO颗粒,当FCM中包埋不含OPyC层的TRISO颗粒时,SiC层与SiC基体的界面结合紧密,并且具有较高的热导率。本文揭示了SiC层在高温大气/水蒸气中的氧化机制以及对SiC层断裂强度的影响;建立了拉曼光谱法测量热导率的三维模型,实现了对TRISO颗粒包覆层热导率的表征,为分析TRISO颗粒在进气/进水事故条件下的使用安全性和热传导效率等提供了理论指导。在此基础上,结合TRISO颗粒本征安全性和SiC材料高热导率和抗辐照等特性,设计了新型FCM燃料,并对SPS法制备的FCM和TRISO颗粒的热导率进行了系统研究。新型FCM燃料具有较好的事故安全性,对促进TRISO颗粒适用于更高温度和更高燃耗的先进反应堆具有重大意义。