钍基熔盐堆(Thorium-based Molten Salt Reactor,TMSR)作为六种第四代核能系统之一,具有固有安全性、中子经济性好、放射性废物少、功率密度高和防止核扩散等优点。以高温氟盐为主要工质的冷冻阀是熔盐堆第二停堆系统中的一个关键安全部件,被用来保障熔盐堆的安全有效运行。发展安全、可靠、非能动的冷冻阀是钍基熔盐堆核能系统的长远需求。目前上海应用物理研究所已研发的冷冻阀属于能动设备,需要外部动力对冷冻阀进行强迫冷却或加热以实现阀体的关闭及开启功能。由于冷冻阀复杂的几何结构和独特的应用场景,对其传热特性的研究少有文献报道。针对TMSR的工程需求,本文开展了翅片式非能动冷冻阀的数值模拟及实验研究工作。首次将翅片与冷冻阀相结合,通过设计翅片结构参数,研制了翅片式冷冻阀及实验装置,开展了翅片式冷冻阀在不同工况下的性能测试;并首度基于真实的工况对翅片式冷冻阀内熔盐进行了三维瞬态数值模拟,通过熔盐传热及相变分析模拟了阀体关闭过程中冷冻塞的生长过程以及阀体开启过程中熔盐的熔化过程。本论文增强了冷冻阀的非能动散热能力,实现了冷冻阀的非能动关闭,简化了冷冻阀的附属设备,可为TMSR冷冻阀的非能动设计提供技术参考。具体的研究工作主要包括以下三个方面:首先是以上海应用物理研究所设计的一型冷冻阀(TMSR-FV1)为研究对象,对其进行稳态传热分析,发现稳态计算结果与实验值的误差在±5%以内,验证了有限元方法对冷冻阀进行传热分析的合理性。接着,在此基础上进行翅片式冷冻阀的结构设计。结合稳态传热分析及正交实验法,研究了翅片形状、翅片高度、翅片间距、翅片厚度等因素对翅片式冷冻阀冻堵效果的影响,获得了冻堵效果较优的翅片式冷冻阀型式。稳态温度计算表明,该翅片式冷冻阀有效降低了冷冻阀内的中心熔盐温度,其冻堵效果优于一型冷冻阀在自然冷却条件及在流量为176m~3/h冷却风强迫吹扫时的冻堵效果。其次是对正交试验获得的冻堵效果较优的翅片式冷冻阀进行传热及运行特性的实验研究。通过搭建翅片式冷冻阀实验装置对该翅片式冷冻阀进行了稳态、瞬态及近似非能动开启性能测试,证明了该翅片式冷冻阀具备非能动关闭功能,其在自然冷却条件下的扁平段贴壁温度比176 m~3/h冷却风强迫吹扫下的一型冷冻阀相应温度低10.97%。实验结果表明:本实验中进行翅片式冷冻阀关闭及开启实验的设定温度范围为530℃至725℃。设定温度为650℃时,翅片式冷冻阀的性能最优,关闭时间及开启时间分别为26.5min和28.5min。最后,对翅片式冷冻阀在设定温度650℃工况下阀体内熔盐的相变过程进行模拟,给出了阀体内熔盐凝固及熔化相变过程的温度分布。结果表明:在熔盐相变的模拟过程中,对翅片式冷冻阀进行三维数值模拟是很有必要的,因为自然对流的存在会导致阀体温度分布不对称。此外,冷冻阀关闭时需要阀内扁平段冷冻塞全部凝固,而开启时则不需要扁平段冷冻塞全部熔化。这使得冷冻阀更难实现关闭,在实际设计和运行过程中,应为冷冻阀的冷却功率留有充足的裕量,尽量使关闭时间趋于保守。