基于国际态势及我国国防建设需求，抢占超小型模块化反应堆（ vSMR, very Small Modular Reactor）的技术发展先机，把握 vSMR 陆基应用尤其是陆战场应用的主要潮流，具有重要的战略意义。铅铋快堆（ LFR, Lead-bismuth Fast Reactor）具有良好的中子特性及热工特性，在小型化方面具有独特优势，也是小型模块化反应堆（ SMR， Small Modular Ractor）的主力堆型。结合 LFR 固有运行特点和 SMR 的发展趋势，开展车载铅铋核电源微型反应堆的概念设计并进行相关的物理热工安全特性分析，对我国自主掌握陆基移动式微堆设计的关键技术，促进我国核能多元利用战略的实施具有重要意义。为此，本文提出一种 5 MWt、寿期 15 年的车载铅铋核电源 LESMOR（ LESs is MORe）堆芯技术方案。系统高度为 3.2m，可用卡车装载运输，以满足偏远地区、军事陆战场、人道救援及紧急救灾等特殊任务的能源供给需求。针对设计目的及顶层方案，本文对LESMOR堆芯方案展开了详细的物理热工设计。通过调研和计算分析，对LESMOR堆芯材料进行了选型并提出了针对LESMOR堆芯的物理热工设计准则。分别从物理和热工角度对LESMOR的堆芯尺寸及燃料元件尺寸进行了参数分析，形成堆芯的几何设计方案。并根据功率分布设计准则，获得了满足径向功率分布要求的堆芯燃料布置方案。根据停堆裕量设计准则，对控制转鼓进行了参数设计。最后，基于物理计算和1/6堆芯子通道计算对所设计的堆芯开展了稳态安全特性分析。物理方面，考察了燃料多普勒、冷却剂密度、燃料轴向膨胀和堆芯径向膨胀反应性反馈，所有反应性反馈系数均为负，满足反应性反馈的设计准则。热工方面，采用子通道分析程序SUBAS，获得了1/6堆芯的冷却剂温度、流速、燃料及其包壳温度的分布，其中燃料及包壳温度均低于设计限值。因此，该堆芯设计方案无论从物理上还是热工上均满足相应的设计准则，表明设计方案具有良好的固有安全性。针对铅铋反应堆的结构特点与运行工况，本文建立了一套合理完善的数学物理模型，包括：堆芯功率模型、燃料元件导热模型、换热器模型和池式系统模型。通过对控制方程的合理简化，形成对时间求导的常微分刚性方程组，采用吉尔算法对方程进行求解。基于此，开发了适用于 LFR 的系统瞬态热工水力分析程序 LETHAC。此外，本文以KYLIN-II 的 61 棒束实验为对象，进行了铅铋流动换热模型敏感性分析；针对 KTH 的铅铋回路 TALL 实验台架，采用 LETHAC 程序对其瞬态实验进行了模拟，包括台架启动瞬态、失流瞬态和超功率瞬态。计算结果表明，LETHAC 计算的关键热工水力参数与实验结果具有相同的变化趋势，且三个工况下的计算误差在 10 %以内，证明 LETHAC 程序可以用于铅冷系统（反应堆或台架）的瞬态热工水力特性分析。