自然循环铅合金冷却反应堆具有良好的中子、热工水力性能和固有安全特性,已成为第四代核能系统发展与研究的方向。主换热器是铅合金冷却反应堆中关键的热传输设备,同时也是防止一回路放射性冷却剂外逸的一道安全屏障,此外,换热器结构设计合理性也将直接影响反应堆安全性及经济性。本文在对国内外换热器结构设计充分调研基础上,选择了一种适用于自然循环铅合金冷却反应堆的主换热器方案,并采用性能评价指标对其主换热器结构设计进行热工水力分析及优化。自然循环铅合金冷却反应堆的主换热器在设计过程中综合考虑了可行性、安全性及经济性,采用管壳式结构方案,并采用直管、双层管作为换热管,该设计方案不但可以满足一回路自然循环的需求,同时也可降低换热管破口事故发生的概率。主换热器主要由管束、压力腔室、排放室、中心下降管、壳体、屏蔽部件等组成。双层管间的接触热阻是影响换热器传热性能的重要因素,第三章主要研究了接触热阻对换热器传热性能的影响作用,从材料、公差配合度、粗糙度对接触热阻及主换热器传热性能的影响进行了分析研究,最后提出双层管加工优化方案。研究表明：双层管采用316L不锈钢,加工时配合公差选取IT6等级,表面粗糙度Ra在0.012～6.3μm范围内时,可降低接触热阻阻值,提高主换热器的换热性能。本文最后对自然循环铅合金冷却反应堆的主换热器进行了热工水力优化分析,采用JF因子评价法分别从换热管长度、外径、壁厚、管间距四方面对换热器性能进行评价分析。为进一步研究上述四个结构参数对主换热器性能的影响程度,本文采用CR因子确定每个影响因素的贡献比,发现换热管管长是影响换热器性能的关键因素。此外,考虑到换热器建造成本,进一步采用成本-效益比(CER)对主换热器的整体性能进行分析评价,得到整体性能最优时的结构参数。