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任何反应堆和系统的设计都要把安全问题放在首位，在反应堆众多的安全环节中，保证停堆后余热的安全排出是一个非常重要的环节。本文在美国橡树岭国家实验室设计的10 MW熔盐实验堆（MSRE）余热排出系统基础上，通过方案论证，对系统进行改进，设计了一套新型空气冷却非能动余热排出系统。系统稳定运行时，套管式换热元件内的冷却水将排盐罐内熔盐的衰变热导出并转变为蒸汽，蒸汽通过空冷器冷凝成水返回到汽包并进入到换热元件中，形成完整的自然循环。 根据系统中换热元件、空冷器等组件的换热特性，建立了相应的计算模型，采用自主研发的C++程序对该计算模型进行求解，并将计算结果与MSRE实验值进行了对比。此外，分析了空气冷却非能动系统的运行特性，并对其中换热元件给水环腔及气隙层宽度对换热过程的影响进行了研究，同时根据系统的运行特性及燃料盐的温度要求，为系统设计了一套优化的运行方案。 计算结果显示，系统主要参数（如换热元件换热功率、排盐罐散热功率等）的计算值与 MSRE实验值之间的误差在10％以内；相对于气隙层宽度，给水环腔的宽度对换热元件中自然循环过程的影响更明显一些；空气冷却非能动系统能很好的满足余热排出要求，同时系统排热规律与排盐罐内的衰变热释放过程较为接近，能实现熔盐温度平稳降低。 系统优化运行的结果表明，在系统运行9小时后将换热元件数量减少为8根并在运行57小时后将换热元件全部撤出的方案最佳。在确保系统安全及熔盐温度在合理范围内变化的条件下，该方案能最大限度的推迟系统调节的时间以及排盐罐加热器投入使用的时间，给系统提供了充足的应急响应时间。