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,设计并搭建了一套单根换热元件的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,分析并总结了系统的运行特性,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。熔盐堆水冷式非能动余热排出系统运行时,汽包内的冷却水经中心管入口进入套管式换热元件内并向下流动,在底端折返后沿给水上升环腔向上流动,在流过加热段时被不断加热变成蒸汽,蒸汽沿上升管路进入冷凝器内被冷凝成单相水,在重力的作用下,凝结水通过下降管道和汽包进水管道返回到汽包内,形成一个完整的自然循环。本文中用管式立式电炉模拟排盐罐中高温熔盐的温度场,根据研究目的和内容,进行了系统自然循环启动与降温实验、系统稳定自然循环饱和沸腾传热流动实验以及换热元件结构尺寸对系统特性影响的实验。依据实验数据对系统自然循环启动与降温过程的特性以及系统稳定运行时汽包液位、外套管壁面温度、冷凝水箱液位、汽包出口阻力、换热元件气隙层宽度、给水上升环腔宽度和外层套管发射率等参数变化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,系统的自然循环启动过程包括换热元件内的自然循环建立和系统的自然循环建立两个阶段;在系统自然循环启动、稳定运行以及降温过程中,系统都能很好的满足余热排出的要求,安全可靠的将电炉产生的热量导出。实验证明,减小气隙层的宽度,会明显提高系统的换热能力,适当减小给水环腔的宽度可以增强换热元件内的自然循环能力。在事故工况或正常停堆时,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的热备用状态。理论计算结果显示,理论结果和实验值的符合程度很好,两者的误差在13%之内。