空间反应堆装置是小型核反应堆与航天工程的有机结合,在空间核反应堆的设计中,设计参数的确定是在进行了核物理、反应堆热工的等学科的耦合迭代之后得到的,包括安全性、可靠性等因素的综合考虑。目前空间核反应堆设计参数的确定主要采用经验或者半经验的设计方法,难以给出反应堆设计的最佳方案。本文通过关注堆芯、辐射散热器、回热器等关键系统部件,建立反应堆系统热力性能分析模型,基于反应堆系统总重量、效率和可靠性等设计目标进行了小型氦氙冷却反应堆热力系统设计方案设计和设计参数的优化分析。主要研究内容及结论如下:（1）系统程序搭建及验证。基于文献调研对系统各部件计算模型进行了对比,选择确定了各部件基本模型,进行了反应堆单通道稳态热工水力、反应堆压力容器、热管辐射散热器、能量转换装置、一次表面回热器的计算模型的设计,并采用Fortran语言编制了相应的评价程序。参照普罗米修斯计划及美国淹没次临界反应堆S~4反应堆设计稳态参数,采用评价程序进行设计计算,计算结果与其设计结果相比误差较小,验证了各设备评价程序的可靠性。（2）参数敏感性分析与方案优化。根据S~4反应堆的相关设计参数,将反应堆主回路系统重各组成设备的评价程序进行耦合,进行了相关设计参数的敏感性分析。通过单个参数敏感性分析,判断相关参数对系统效率和质量的影响大小,确定了氦氙冷却反应堆热力系统中回热器回热度、堆芯入口温度、堆芯流量、压气机压比以及透平内效率作为五个关键参数进行研究,并根据多参数敏感性分析进一步确定了关键参数的取值范围。以这五个参数为优化变量,在给定的约束条件下,以系统效率和质量为目标进行双目标优化计算,获得了小型氦氙冷却反应堆一回路系统的优化方案。本文完成了小型氦氙气冷反应堆热工水力系统的搭建、关键参数的选取,对小型氦氙冷却反应堆热力系统方案的设计具有一定的参考意义。