熔盐堆作为六种第四代候选反应堆之一,在可持续性、经济性、安全性和防核扩散性方面都有明显的优势。自20世纪50年代发展以来,出现了各种熔盐堆堆型。2010年之后,涌现了Thor Con、IMSR、TAP等一次通过燃料循环堆型,可以进行模块化。中国科学院TMSR专项第二阶段的重要堆型就是小型模块化钍基熔盐堆（sm TMSR）,同样使用一次通过燃料循环方式。一次通过燃料循环的熔盐堆不以增殖为设计目标,放宽了熔盐要求,有多种载体盐可供选择。采取逐步加料不进行在线后处理、仅清除裂变气体的方式来实现反应堆的连续运行,因此降低了熔盐堆的技术难度,可以快速进行商业部署。多以富集铀或超铀元素（TRU）启堆,其中富集铀较易获取。由于参数众多,部分物理规律尚无研究,已有研究规律具有一定局限性,一次通过熔盐堆的燃料利用分析及相关核设计问题,需要进行进一步研究。燃料利用分析中的燃耗深度直接关系到核电厂的经济性,是动力反应堆设计的重要指标之一。提高燃耗深度的方式有多种,本文基于富集铀/钍铀启堆的一次通过熔盐堆,讨论和分析了多种堆芯设计参数对燃耗深度产生的影响。首先,本文使用无限栅元模型,通过对比截面、中子吸收等参数进行了载体盐选择,确定了中子性能最优的FLi Be载体盐后,讨论了不同栅元形状及大小对反应堆燃耗深度的影响,并基于中子吸收、能谱等参数进行了相应分析。其中六边形栅元的燃耗深度最大,燃耗深度对栅元大小的敏感性不高,特别是栅元对边距为5-25cm时,最大天然铀燃耗深度几乎一样。而后,本文选择了对边距为20 cm的六边形栅元模型,依次分析和讨论了熔盐占比（VF）、初始重金属浓度（HN0）及加料铀富集度对燃耗深度的影响。其中VF及HN0在不同条件下对燃耗深度产生的影响会发生改变。在加料铀富集度达到20 wt%时,天然铀燃耗深度上升到稳定值。在加料铀富集度为20 wt%的基础上,本文对比了低富集铀启堆和钍铀启堆在燃耗深度方面的差异,结果表明钍铀燃料的中子再生能力更强,因此从燃料利用的角度来说钍铀燃料优于低富集铀燃料。最后,本文使用全堆芯模型,通过改变堆芯活性区直径,分别讨论了低富集铀启堆和钍铀启堆时堆芯体积对燃耗深度产生的影响,结果表明堆芯体积越大,中子泄露越少,燃耗深度越大,钍铀燃料依然优于低富集铀燃料。核设计中的反应性温度系数表征了堆芯材料的温度变化对反应堆带来的反馈作用,负温度系数对反应堆的调节和运行安全都具有重要的意义,是熔盐堆设计的基本准则之一。本文分别研究了寿期初和燃耗过程中多个模型温度系数的变化规律。针对寿期初的无限栅元模型,本文研究了栅元形状对温度系数的影响。结果显示六边形栅元和四边形栅元的反应性温度系数在变化趋势和数值上都很接近,而板型栅元则变化较大。并逐一分析和讨论了不同栅元大小熔盐堆的燃料密度系数、燃料多普勒系数、石墨系数的变化规律及原因,结果显示随着栅元对边距的增大,总反应性温度系数略微趋正。针对寿期初对边距为20 cm的六边形栅元模型,本文讨论了VF、HN0和启堆燃料种类对于温度系数的影响,并通过计算各核素对不同能量中子的吸收份额较为详细地分析了温度系数变化的原因。结果显示,低富集铀启堆时,在5-30%VF和2-12 mol%HN0范围内,总温度系数为负（-15到-3 pcm/K）,并随重金属装载增大而趋正;钍铀启堆时,在5-30%VF和2-12mol%HN0范围内,总温度系数在-4.6到-1.7 pcm/K之间变化;低重金属重载时,总反应性温度系数随重金属装载的增大而趋正;高重金属装载时,总温度系数随重金属装载的增大而趋负。针对寿期初的全堆芯模型,本文研究了低富集铀启堆和钍铀启堆时不同体积熔盐堆的温度系数。结果表明,低富集铀启堆时,总温度系数随体积增大趋正,随VF和HN0的变化趋势相似;钍铀启堆且体积较小时,变化规律与低富集铀启堆类似,在体积较大时,逐渐向钍铀启堆无限栅元时的变化规律转变;在数值上,体积越大,两种启堆情况下总温度系数越正,不过都处于负的温度系数。针对燃耗过程中的无限栅元及全堆芯模型,本文研究了燃耗深度较大情况下温度系数的变化,结果显示低富集铀启堆且堆芯直径大于4 m时,以及钍铀启堆且堆芯直径大于6 m时,总反应性温度系数可能会出现正值,文中通过不同核素的中子吸收份额分析和讨论了影响温度系数为正的原因。结合燃耗深度和温度系数的研究,本文分别设计了两种方案,一种为考虑燃耗性能较大及反应性温度系数为负值的大体积的熔盐堆方案,一种为满足道路运输的情况下,考虑燃耗深度和温度系数的小型模块化反应堆方案。分别给出了相应方案的物理参数,如能谱、燃耗深度、主要锕系核素的演化、裂变份额、通量密度分布、反应性温度系数等。本文在使用一次通过燃料循环的基础上,主要研究了各参数对富集铀和钍铀启堆的熔盐堆的燃耗性能和反应性温度系数的影响,为一次通过熔盐堆的堆芯设计提供理论分析基础。通过优化堆芯参数,提高堆芯燃耗性能,并在保证负反应性温度系数以及考虑小型模块化的情况下给出了推荐方案,为一次通过熔盐堆的堆芯设计提供参考。