密度锁是实现反应堆固有安全的一个重要部件,它的“关闭”和“开启”不需要任何能动设备和操作人员的干预,而完全依靠反应堆自身的运行特性来控制。因此,将密度锁应用于现有分散式压水堆的非能动余热排出系统中,对提高下一代反应堆的固有安全具有重要意义。密度锁能否成功被应用主要取决于两个条件:密度锁内能否形成稳定的冷热流体交界面;交界面在密度锁内能否达到水力平衡。本论文主要采用实验研究和理论分析相结合的方法,对密度锁成功应用的两个条件进行研究,包括对密度锁内流体分层特性、分层形成机理以及水力平衡特性的研究。首先,对密度锁内分层形成过程进行可视化实验研究,并在实验研究的基础上建立了传热机理模型,对密度锁内冷热流体间的传热特性进行理论分析。研究结果表明:密度锁内工质自上而下可以分为三层:混合层、界面层和恒温层。界面层就如同阀门中的瓣膜一样,隔离着其上、下的热冷流体。密度锁内分层形成机理主要是其内存在传热方式由对流到导热的转变点,从而造成其内竖直方向上工质温度上升速率的差别,最终形成分层;采用变通道截面的密度锁能有效地控制传热方式转变点的出现位置。另外,对分层稳定性的研究表明密度锁内存在高幅脉动和低幅脉动两种不稳定性,高幅脉动的发生将加剧冷热交界面处的传热。然后,根据分层特性的研究对密度锁的结构进行优化,并将优化后密度锁应用于非能动余热排出系统中,建立模拟实验回路,对其水力平衡特性进行实验研究。研究结果表明:密度锁内的水力平衡是一种动态平衡,而且在一定范围内具有自稳定特性,即当反应堆运行参数与密度锁内的水力平衡条件存在小幅度的偏离时,不需要外界动力的干预,仅仅借助密度锁内热/冷界面位置的改变,便能重新达到水力平衡,使密度锁“关闭”。基于动平衡和自稳定特性,提出了一种密度锁内水力平衡的建立方法——自平衡启动方法,并通过理论分析给出了实现自平衡启动所需要满足的条件。同时对该方法进行了实验验证,结果表明:当启动流量满足自平衡启动条件时,通过自平衡启动方法可以成功建立密度锁内的水力平衡。最后,在实验研究的基础上,建立密度锁内水力平衡的计算模型,预测成功建立水力平衡的启动流量,并对水力平衡建立的瞬态特性进行分析。使用该模型计算的平衡流量与实验结果吻合较好,该模型计算结果通过了自平衡启动的实验验证;分析了不同因素对自平衡启动能力的影响,这一分析表明适当地增加密度锁的高度有助于提高密度锁的自平衡启动能力。