安全性是反应堆设计中首要考虑的问题。在先进反应堆设计中已广泛采用了非能动余热排出系统,通过自然循环的方式为燃料元件提供长期的衰变热导出功能,从而提高反应堆安全性。目前我国正在自主设计开发液体燃料熔盐堆,保证熔盐堆停堆后燃料盐衰变热的非能动导出是必须解决的关键问题,相关研究工作还十分不足。因此,本文针对高温燃料盐衰变热导出过程中所涉及的换热元件传热问题、自然循环流动问题、熔盐热分层问题、系统运行特性等进行了细致的研究。首先,在解决高温熔盐与水之间大温差传热问题的基础上,设计并搭建了2 MW液体燃料熔盐堆的非能动余热排出实验装置。为了避免燃料盐中铍及其化合物的剧毒性带来的操作风险,采用实验测定的方法,找到了一种三元混合碳酸盐,其主要热物性与燃料盐相近,提出了采用碳酸盐替代燃料盐进行非能动热量导出热工实验的方法。对实验结果进行分析得到了不同边界温度条件下余热排出系统的传热特性,系统在熔盐温度643℃时排热功率为16 kW,在熔盐凝固点附近的排热功率为5.1 kW,且材料发射率对换热元件的传热能力影响较大。正常工作温度范围内,热量从最外层套管传递到中间层套管的过程中辐射传热起主导作用。对系统传热路径上的热阻组成情况进行了分析,其中气隙层热阻起主导作用,是限制系统排热功率的主要因素,也是系统能够在温度和压力较低的条件下运行的主要因素。通过套管式换热元件内自然循环瞬态流动特性的实验研究,发现随着入口过冷度减小出现间歇泉和闪蒸两种不稳定现象,并确定了不稳定边界。利用RELAP5/MOD4.0程序分析了换热元件结构参数变化对自然循环流动能力的影响。对单相和两相条件下换热元件内稳态循环流量与传热量的关系进行了理论推导,与实验结果符合情况良好。利用CFD软件Fluent对排盐罐内高粘度低流速的熔盐自然对流进行数值模拟,基于流场和温度场变化情况分析了熔盐热分层发展过程,确定了排盐罐内温度最低点位置。对比了内热源和外热源加热条件下排盐罐内自然对流和温度分布的区别,发现外热源条件得到的结果更为保守。对自然对流相关无量纲数进行分析后发现,热分层数Str可以用来评估排盐罐内热分层的程度,混合数Mi可以用来预测整个瞬态过程中热分层的发展速度,瑞利数Ra可以用来预测主流温度梯度形成后热分层的发展速度。最后,通过实验确定了系统在启动过程和衰变热导出过程中的瞬态运行特性。发现由于下降段和加热段内流体换热导致启动初期的3800 s内流体不流动。在衰变热导出过程中,当换热元件近壁区熔盐发生凝固时,换热元件附近轴向温度梯度迅速增大,并在壁面附近熔盐完全凝固时达到轴向温度梯度最大值。本文通过实验研究、数值计算和理论分析相结合的方法,确定了高温熔盐非能动热量导出的可行性,为非能动原理在熔盐堆中的应用奠定了基础,为我国熔盐堆非能动余热排出设计提供了依据。