熔盐堆是第四代先进核能系统的候选堆型之一,具有经济性好、安全性高以及燃料循环灵活等诸多优点。安全问题是熔盐堆设计的重要环节之一。熔盐堆的余热排出系统是保障熔盐堆停堆后安全的重要系统之一。本文以百兆瓦级熔盐堆的余热排出系统为研究对象,在大量阅读国内外相关文献后,分析总结了一些典型反应堆的余热排出系统设计方案与特点,并参考MSRE排盐罐余热排出系统与Mark-1的DRACS介绍了一种适用于百兆瓦级熔盐堆排盐罐的非能动余热排出系统初始设计方案。针对排盐罐非能动余热排出系统的核心部件——换热元件进行了优化设计研究。换热元件是一个采用了三套管设计的部件,套管内部流动的冷却水与套管外部的高温熔盐进行换热,冷却水受热气化后产生的密度差成为换热元件内形成自然循环的驱动力。本文对熔盐-套管的换热过程和套管内部冷却水的自然循环过程进行了分析,使用MATLAB和FLUENT建立了换热元件的模型,将哈尔滨工程大学的实验结果和FLUENT的仿真结果与MATLAB程序的计算结果进行对比,验证了模型的适用性。使用MATLAB计算模型对换热元件进行敏感性分析,为后续优化设计提供了计算基础。根据MATLAB模型的计算结果,使用FLUENT软件对换热元件进行设计优化研究。在加入熔盐衰变热曲线的情况下,分析了不同排布方案下熔盐与换热元件关键部位温度的变化情况,分析了气隙层厚度、换热元件高度和气隙层壁面发射率的变化以及排盐罐边缘效应对换热元件设计方案产生的影响。结论表明:在保证换热元件壁面最高温度不超过977.4K最高设计温度的前提下,单位高度换热元件采用间距值为0.095m的正方形排布方案时,换热元件数量为2536根才能满足保守性假设的最低要求;减小气隙层厚度对传热强化影响较小,因此仍采用0.0043m的设计;换热元件外壁面最高温度与换热元件换热段高度呈正相关;圆柱体排盐罐的圆形边缘会对换热元件的排布产生影响,增大换热元件的需求数量;考虑寿期内气隙层发射率的变化,发射率与换热元件排热能力呈正相关。当采用半径与高度均为2m的排盐罐、寿期换热元件气隙层壁面最低发射率为0.5时,满足保守性假设的换热元件数量为1721根。