为研究压水堆不同燃耗完整和破损燃料棒燃料芯块氧化过程和物相变化，采用拉曼光谱分析技术对燃耗为14 GW·d·t⁻¹和45 GW·d·t⁻¹的完整燃料棒及燃耗为14 GW·d·t⁻¹和41 GW·d·t⁻¹的破损燃料棒燃料芯块的氧化特征进行了分析。结果表明：14 GW·d·t⁻¹和45 GW·d·t⁻¹的完整燃料棒燃料芯块由UO₂、U₄O₉和U₃O₈组成，相比于燃料芯块的内部区域，芯块边缘显示出更强的氧化性；14 GW·d·t⁻¹和41 GW·d·t⁻¹破损燃料棒燃料芯块发生了重结构，形成柱状晶粒，主要物相为UO₂和U₃O₈。燃耗的加深和燃料棒的破损均促进了燃料芯块的氧化过程，但并不会改变燃料芯块的主要相结构。

燃耗计算精度对提高乏燃料贮存效率有着重要影响，在应用燃耗信用制时，燃耗计算得到的核素成分偏差决定了乏燃料贮存的临界安全裕量。不同燃耗计算模型所得到的核素成分偏差各不相同，为提高燃耗计算精度，提出了一种装载不同燃料富集度的多组件燃耗计算模型，并使用不同燃耗计算模型分别对TMI-1反应堆NJ07OG组件中的6个样本进行了计算、对比和分析。结果表明，相比其他模型，考虑不同燃料富集度的多组件模型得到的²³⁵U、²³⁸U和²³⁹Pu等核素平均相对偏差更接近于零且6个样本的相对偏差分布更为平均。

环形燃料可显著提高压水堆堆芯功率密度，对实现反应堆小型化设计和经济性提高具有重要意义。本研究为获得环形燃料栅元的有效温度计算方法，以西屋公司设计的环形燃料栅元为计算对象，开发了环形燃料单通道热工水力分析程序THCAFS（Thermal-Hydraulic Code of Annular Fuel with Single channel），建立了环形燃料栅元的有效温度的计算模型。基于THCAFS分析了西屋公司四环路压水堆所设计的环形燃料栅元的热工水力性能，并与VIPRE-01、TAFIX和NACAF的计算结果进行Code-to-Code对比验证。同时，利用蒙特卡罗程序SERPENT模拟燃料棒中径向功率分布和燃耗过程，通过自主开发程序THCAFS模拟燃料棒中的热力学行为，获得不同燃耗下的径向功率分布、核素密度变化和栅元温度场。结果表明：THCAFS可初步应用于环形燃料设计以及热工水力分析，且有效温度计算方法也可为相关环形燃料共振有效温度的机理性研究提供重要的参考性价值。

热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念，具有功率密度高、结构紧凑、固有安全性高等特点，在深空探索、深海勘探、偏远地区等场景中具有广阔的应用前景。核燃料作为热管冷却反应堆的重要组成部分，不同类型核燃料在堆芯燃耗分析时会呈现不同的中子学性能。基于美国爱达荷国家实验室(INL)提出的热管冷却反应堆INL Design A，利用清华大学蒙特卡罗中子输运程序RMC (Reactor Monte Carlo code)建立堆芯物理模型，选取UO₂，(U_0.9Pu_0.1)O₂，U-10Zr，U-8Pu-10Zr，UN，UC这6种核燃料开展燃耗计算，分析了不同核燃料、不同功率水平对热管冷却反应堆堆芯燃耗性能的影响。计算结果表明：在堆芯燃耗深度相同情况下(20.8 GW·d·t⁻¹)，装载U-8Pu-10Zr燃料的堆芯所需²³⁵U富集度最低(9.8%)，具有较好的U-Pu增殖性能。堆芯功率处于5 MW的热管冷却反应堆，燃料中²⁴¹Pu的存在不仅没起到增大堆芯燃耗深度的作用，反而导致堆芯剩余反应性和堆芯寿期末次锕系核素(MAs)的产量增大，影响反应堆的安全性与经济性。因此，对于装载含有Pu燃料的小功率长寿期热管冷却反应堆，需重点关注²⁴¹Pu对堆芯燃耗性能的影响。

为了进行堆芯计算，需要通过组件计算提前构建少群截面参数库。传统确定论的组件截面参数化方法针对宏观截面进行截面参数化，但这种方式不仅需要考虑多种物理状态参数，而且需要考虑历史效应对截面的影响。提出了基于核素微观截面的蒙卡程序参数化方法，该方法可以消除燃耗历史的影响，且考虑的物理状态仅为燃耗深度以及材料温度。利用蒙卡程序产生组件截面参数库耦合堆芯程序进行堆芯计算，首先用蒙卡程序同时统计对应状态点下的核素密度以及核素少群微观截面，再利用核素微观截面进而获得宏观截面进行后续堆芯计算。为了验证方法正确性，构造了一个自定义的压水堆模型，计算结果与连续能量蒙卡计算结果符合良好。

为分析气冷微型堆可燃毒物布置策略，分别建立长寿期（15 MW-20 a）、短寿期（5 MW-1 a）、较长寿期（5 MW-3～10 a）不换料堆芯模型，利用通用蒙卡程序，研究气冷堆中常用可燃毒物核素种类、可燃毒物布置方案对堆芯反应性、寿期等特性的影响。研究结果表明：长寿期堆芯中，整体型Er₂O₃可以有效控制堆芯剩余反应性，但在寿期末会造成一定的反应性惩罚；整体型B₄C可以较好地控制堆芯剩余反应性，并在寿期末几乎不会造成反应性惩罚，通过分区布置还可以优化功率分布；分离型B₄C可以使燃耗特性曲线在寿期初和寿期中变化很平坦。短寿期堆芯中，分离型Gd₂O₃毒物棒可以很好地控制剩余反应性且不会缩短堆芯寿期；常见的B₄C布置方式并不合适，但B₄C弥散在堆芯石墨内可以起到较好的毒物效果。较长寿期堆芯中，分离型Gd₂O₃毒物棒不仅可以有效控制剩余反应性，还可以保证堆芯具备仅依靠温度负反馈实现自动停堆的固有安全性。研究结果将为后续气冷微堆型号研发提供指导。