为满足核能日益增长的多元化市场需求，具备多用途、小型化、模块化等显著特征的反应堆备受世界各国的青睐。在这样的背景下本文提出了一种超临界二氧化碳（S-CO2）冷却的新概念球床反应堆（SC-MPBR），不仅体积小、高度模块化，还有很高的热效率。　　针对 SC-MPBR，本文进行了超临界二氧化碳布雷顿热力循环设计，给出了一种合理的直接循环方案，确定了循环热力参数，并做了初步的反应堆热工设计，为后续的CFD分析提供热工参数。　　在球床的局部结构CFD分析中，介绍了球床结构的网格划分技术，对比了接触点处理方法的影响。通过分析在不同燃料球分布方式下的接触点数目和位置对球床内部流动换热机理的影响来提出改善固定球床堆内单个燃料球表面温度分布的方法。对比 CFD计算数据和KTA计算值，认为KTA在SC-MPBR的热工设计中是保守的。　　最后，本文介绍了大尺度、中尺度、和小尺度下的温度分布计算方法，改进了双温法（TTM）计算公式，提出了系数求解模型，从而可以通过理论计算得到更加精确的燃料球温度分布。并且介绍了燃料球的CFD建模方法，使用CFD模型计算的数据对TTM计算值进行校验，结果表明TTM计算方法有很高的精度且适用范围广。