超临界水堆作为由第四代核能系统国际论坛(GIF)提出的六种先进反应堆之一,具有广阔的发展前景。相比现有轻水反应堆而言,超临界水堆具有热效率高、系统简单、装置尺寸小和经济性好等优点。目前超临界水堆研究局限于单一的热谱堆芯和快谱堆芯,但这两类堆芯在设计都存在一些“瓶颈”问题,为弥补两种堆芯的不足,提出了一种融合了热谱堆芯与快谱堆芯的新型临界水冷混合堆设计,能够有效解决现有堆芯设计存在的问题。超临界水冷混合堆堆芯由热谱区和快谱区组成,本文专注于快谱区组件研究。文章采用MCNP程序与子通道分析程序STAFAS对组件进行中子物理与热工水力性能评估,改进组件设计并优化结构参数,以增强快谱区组件“固有安全性”,同时实现核燃料的增殖。为此,快谱区组件设计主要分为两个阶段:单层燃料组件研究与多层燃料组件研究。在研究的第一阶段,文章分析了单层燃料组件结构参数以及不同燃料棒几何排列对组件的性能影响,结果表明燃料棒采用正形排列有利于组件获得良好的物理与热工水力性能,但是单层燃料组件不能通过改变结构设计参数以及燃料棒几何排列形式使组件获得负的冷却剂反应性系数,实现核燃料的增殖。为改善单层燃料组件的不足,文章在研究第二阶段结合国内外水堆多层燃料组件和超临界水冷快堆组件的相关研究,提出快谱区多层燃料组件设计方案,研究表明多层燃料在获得“固有安全性”同时,能够实现核燃料的增殖。通过分析多层燃料组件结构参数,组件壁材料以及燃料中钚的富集度等对多层燃料组件物理与热工水力性能的影响,对多层燃料组件进行了优化设计。本文研究为今后的混合堆快谱区组件设计与研究提供参考模型与理论基础。