超临界水堆是六种第四代核能系统中唯一的水冷堆，与传统轻水堆相比，超临界水堆由于能谱变化范围更广，因此可以实现热谱、快谱等不同设计。这一方面增加了超临界水堆物理设计的灵活性，从而为多种燃料的利用以及核素嬗变提供了条件；另一方面，却使得采用多群常数库的传统轻水堆确定论分析程序在几何处理及能谱适用性方面面临较大挑战。在反应堆物理分析中，蒙卡方法强大的几何处理能力及连续能量中子截面库的应用，使其成为新型核能系统研究的理想工具，但影响其广泛大量使用的最主要原因是其计算耗时长，效率低。本论文提出了一种基于蒙卡组件多群截面统计，采用多群蒙卡进行堆芯物理分析的方法，并研究了相应的等效均匀化方法，大量数值验证证明其具有良好的精度，同时计算效率有了较大的提高。本论文据此建立了蒙卡堆芯燃耗分析计算程序系统，为超临界水堆物理特性研究打下了基础，同时也为其它新型核能系统的物理分析以及等效均匀化方法的研究提供了很好的借鉴。本论文分别对热谱和快谱两种典型超临界水堆设计进行了研究，同时分析了不同燃料的应用特性。热谱超临界水堆设计的关键在于组件设计，通过对现有设计的对比分析，本文提出了一种新型含环形慢化剂通道的组件设计，可以使组件内慢化更均匀；进一步地，进行了不含Gd与含Gd可燃毒物的堆芯优化设计，分析了堆芯的平衡循环特性；之后，在组件和堆芯两个层面上对不同燃料的应用特性进行了对比分析，发现其主要与易裂变核素成分相关。对于快谱超临界水堆，在综合考虑已有设计特点的基础上，本论文针对一种冷却剂“两次流通”的堆芯方案进行了研究，重点分析了不同类型燃料的转换性能、冷却剂空泡反应性、堆芯多循环燃耗特性以及MA和LLFP的嬗变性能，发现MOX燃料的转换性能较好而空泡反应性较差，含Th燃料的转换性能稍差但空泡反应性较好，由于嬗变目标核素对堆芯的安全性能影响较大，因此综合来看含Th燃料优势明显。本论文的研究成果为将来超临界水堆专用分析工具的研发，以及不同能谱超临界水堆方案设计和燃料的选择，都打下了良好的基础。