世界上几次重大核事故的经验表明，在核电厂或核动力装置应用领域，过分依赖能动的安全系统是不够可靠的。为此，在先进核电厂华龙一号设计中，采用了基于开式自然循环运行模式的安全壳非能动冷却系统设计方案。本文以此为研究背景，以几类典型的自然循环系统为研究出发点，综合采用了数学建模、自主编制开发计算程序、理论分析、系统分析、严重事故分析、PSA分析等研究手段，对安全壳非能动冷却系统的工作原理、方案性能、性能实验、流动不稳定性特性、工程方案的配置、系统可靠性等方面进行了广泛分析，最终落脚于华龙一号安全壳非能动冷却系统的配置与应用可行性上。
　　在以安全壳非能动冷却系统应用为背景的自然循环运行模式研究方面，采用数学建模和自主编制稳态性能评估程序的方法，针对开式自然循环系统、闭式两相自然循环系统以及闭式单相自然循环系统等，进行了稳态性能评估，完成了方案的初步比选，评估结果显示开式自然循环系统的综合性能优于闭式单相或闭式两相自然循环系统。
　　在开式安全壳非能动冷却系统的模化分析和实验研究方面，采用理论分析的方法，确定安全壳非能动冷却系统的模化准则和模化结果；采用实验研究的方法，开展了典型工况下的模型非能动冷却系统的性能实验，验证两种典型工况条件下模型系统的排热能力和流动特性。当对开式自然循环系统的模化采用等高、等压、等介质模拟方法时，闪蒸数是决定开式自然循环系统长期工作特性的重要无量纲准则，相似的阻力分配模式可以保证模型系统与原型系统在排热性能上的相似。在典型实验工况条件下，模化后的开式自然循环系统可以满足对应工况下对系统的排热能力的需求。
　　在开式自然循环系统中的两相流动不稳定性研究方面，本文采用系统分析程序和自主开发计算程序的方法，从时域和频域两个角度，对开式自然循环回路中可能出现的流动不稳定性现象及其机理进行了模拟分析，从而确定影响系统流动不稳定的主要因素。
　　在安全壳非能动冷却系统可靠性及事故运行扩展研究方面，采用方案对比、系统分析程序、概率安全分析等多种研究手段，对安全壳非能动冷却系统在华龙一号核电厂中的应用可行性进行了研究评价，并就安全壳非能动冷却系统降低典型始发事件触发的堆芯熔化概率和放射性物质大量释放概率方面的能力进行了研究。基于开式自然循环运行模式的安全壳非能动冷却系统可有效缓解华龙一号核电厂中的设计基准事故和严重事故的后果，限制事故后安全壳内的压力温度响应在允许限值以内。对于典型始发事件诱发的堆芯损坏概率和放射性物质大量释放概率有积极影响。