在熔盐堆正常或事故停堆时,非能动余热排出系统是保障熔盐堆安全的重要系统之一。本文以熔盐堆余热排出系统为研究对象,设计并搭建了两套熔盐堆水冷式非能动余热排出系统的实验装置。通过实验的方法对系统的流动和传热过程进行了研究,分析并总结了系统中出现的流动不稳定现象,为熔盐堆非能动余热排出系统的工程设计和优化提供基础依据。本文根据研究目的和内容,进行了系统自然循环过冷沸腾实验、系统稳定自然循环饱和沸腾传热流动实验以及流动不稳定工况的实验。依据实验数据对熔盐堆非能动余热排出系统的传热特性以及系统运行时出现的流动不稳定现象对系统热工水力特性的影响进行了分析和研究。同时文中还对电加热实验系统进行了数学建模,根据数学模型对系统中的传热过程进行了理论计算,并将理论计算结果同实验值进行了对比。实验结果表明,熔盐堆余热排出系统能够很好的满足余热排出的要求,安全可靠的将熔盐产生的热量导出;系统在运行时会出现间歇喷泉及密度波振荡两种流动不稳定现象。证实了外层套管和中间套管间气隙层的辐射换热发挥了重要作用,其在实验范围内约占单根换热元件换热量的47%~68%。非能动余热排出系统的传热速率对边界温度的变化很敏感,故当高温熔盐刚进入排盐罐时,系统传热特性好,能及时导出熔盐中的余热;随着熔盐温度降低,系统排热能力减弱,又有利于防止熔盐温度过低而冻结。同时实验证明,增大系统加热功率及提高中心管入口温度,可以显著规避实验中出现的流动不稳定现象。为保证熔盐堆水冷式非能动余热排出系统能够快速、安全地投入运行,建议系统长期处于低功率运行且熔盐呈熔融态的热备用状态。理论计算结果显示和实验值的符合程度很好,两者的误差在16%之内,并验证了实验中出现的流动不稳定现象。