在保证安全的前提下提高发电效率,降低建造运行成本是核电界所不断追求的目标。相比理想气体的布雷顿循环,采用超临界二氧化碳(S-CO2)作为作功工质可以显著降低压缩机所需功率,因而可以在较低的反应堆出口温度下实现较高的循环热效率。此外,在相同发电功率下,S-CO2气轮机、换热器的体积更小,有利于整个系统的模块化设计和建造,因而有利于降低建设成本。本文以S-CO2作工质,并与球床堆相结合,设计了 S-CO2直接冷却堆芯的再压缩布雷顿循环方案,并针对该方案编写了热平衡分析程序。以此为基础分析了压缩机压缩比、回热器体积、压缩机入口处工质参数等对系统热效率的影响,根据计算结果对系统进行了初步的优化设计。计算表明,本文所设计的S-CO2布雷顿循环方案系统热效率较高,达到44.56%,达到或超过了高温气冷堆效率,且系统结构紧凑。为确保热平衡分析的准确性,本文还比较了 CFD和热平衡计算程序中主要的传热模型针对同一对象的模拟结果,研究表明热平衡计算程序中用到的数学模型合理可信。以上述研究得到的热力参数为基础,采用CFD方法分析了 BCC和FCC排布的燃料组件内的流动换热特性。CFD模拟表明,BCC和FCC内的流动换热差异非常明显,但两种排布均可满足系统设计要求,燃料球最高温度远低于燃料球基体熔点,反应堆堆芯安全裕量充足。