氟盐冷却高温堆(FHR)是第四代反应堆中模块化小型熔盐堆的一种，其用氟化盐做冷却剂，用燃料球作为燃料组件，可以实施在线换料。由于系统设计不采用水冷方式，对水源的需求量大大减少，模块化设备可以通过轨道交通或公路运输到内陆地区，所以是在缺水及人口密集的内陆地区建设核电厂的优良备选方案。系统具有完全非能动安全设计，在事故情况下，可以不需要应急柴油发电机和备用的供电电网，系统完全依靠自然循环动力排出堆芯余热。FHR采用空气布雷顿联合循环(NACC)，使其具有调峰作用，大大提高核电经济性。可以采用多种燃料循环，提高钍资源利用率.　由于其冷却剂运行温度高，可以高温制氢气。FHR以其安全性和经济性近年来成为国际研究的热点，中国预计在2020年建成世界第一个FHR实验反应堆。目前核工业体系主要以水作为冷却工质，所以对氟盐冷却高温堆的研究几乎完全停滞，大部分基础研究数据来源于上世纪60年代。近十几年来，随着材料及装备制造研发的进步，以及日益高涨的突破核能发展瓶颈的要求，国内外逐渐重新开始对氟盐冷却高温堆相关科学技术问题的理论及实验研究，并设计了多种以氟盐作为冷却工质的新概念反应堆。
本文从基本的守恒定律出发，建立一套合理的数学物理分析模型：基于非均匀交错网格技术，采用有限容积半隐式压力修正算法耦合求解流体质量、动量、能量守恒方程，获得详细的流场信息；基于图论矩阵算法自动生成大型热工流体管网系统离散型交错网格；以系统任意位置为基础信息参考点，自动实现初始合理的静压力在管网内自动分布以及完成多环路的封闭测试；根据主控制体热工以及几何特性自动完成交错网格相应控制体界面多种方式的插值，实现精确捕捉自然循环微小流量特性要求；采用全隐式有限差分对不同几何热构件进行数值离散，热构件数值模型同时考虑非均匀网格，非均匀材料，非均匀内热源分布以及三种不同的边界条件。流体动力学模型与热构件模型自由任意组合并耦合求解，实现对关键传热固体构件瞬态峰值温度预测以及获得换热量、系统热损失等参数的瞬态预测。中子动力学刚性方程组采用变步长
向后隐式差分格式多步积分方法，并通过燃料多普勒效应以及冷却剂和慢化剂温度、密度反应性反馈模型与流体动力学及热构件模型耦合，瞬态分析多种反应性反馈下系统的瞬态响应特性。采用目前最先进的大型稀疏矩阵混合求解算法，可以瞬态模拟大型、多尺度、复杂的、多环路多分枝的热工流体系统管网的流量分配、压力分布、温度分布、能量传递、自然循环流动特性、换热器换热特性、系统寄生热损耗。采用布尔运算控制模块及比例积分微分(PI)自动控制模块，程序可以实现初始稳定自调以及预测不同事故序列下复杂的系统逻辑响应，从而进行多种复杂事故序列下的安全分析。
FHR采用高功率密度非均匀材质的核燃料球，核燃料球具有双重不对称性，同时冷却剂属于高普朗特数工质，运行温度高，且流体粘度温度依赖性强。堆芯采用复杂的多孔隙流道结构，流型转化迅速、传热性能强。盘管式换热器二次流作用下压降高、换热性能强。本文总结了氟化盐、核材料以及其他相关流体及固体构件物性模型，深入分析氟盐冷却剂流动及换热基本定律，具体针对反应堆多孔介质结构、盘管式空气换热器(CTAH)、堆芯直接换热器(DHX)，热虹吸式换热器(TCHX)，非能动截止阀，管道模型，建立流动与换热辅助封闭方程模型。　
本文开发了大型通用热工流体系统安全分析程序FANCY，程序有用户友好的输入文件可以根据实际模拟对象的几何及规模进行调整，且可以同时提交多个输入文件，进行多种工况下的安全分析。并在CSAU安全评审框架下，对FANCY程序进行校核与验证，增强程序预测结果的可信度。比较数值求解与高精度的解析解来对数学物理模型进行校核，同时对数值计算关键参数进行敏感性分析。通过校核数值模型与程序之间的误差，提高数值求解模型的准确度。对CIET系统实验台架进行建模，比较CIET系统非能动实验数据和程序预测结果，分别验证了不同热阱边界条件下、不同功率条件下、单回路自然循环工况条件下、双回路耦合自然循环工况下的自然循环特性，通过比较程序模型与实验结果，研究验证物理计算模型的准确度。
采用FANCY程序对概念设计的商用型MK1　PB-FHR系统回路和非能动安全系统进行建模分析。考虑多种事故序列、多种反应性反馈下的堆芯功率响应，可以成功预测流体稳态运行以及事故瞬态工况下顺流及逆流，以及从强迫循环转向自然循环的完整的瞬态过程。　针对目前FHR安全评审的部分事故进行分析：如发生全厂断电，换热器失效，在线装卸料及堆芯填料率变化导致堆芯反应性引入事故，中间换热器截止阀失效导致堆芯旁流意外增加引起的失流事故。最后对MK1　PB-FHR的关键参数进行敏感性分析，包括引入不同反应性的影响，泵惰转时间的影响，非能动截止阀开启特性对事故的影响，确定安全分析的不确定性因素。
本文工作为氟盐冷却高温堆(FHR)设计及安全评审提供参考。