自然循环系统作为一种非能动安全系统，已被用于多种反应堆事故后堆内热量的排出。在自然循环系统的运行中，下降段和上升段中冷热流体的密度差产生了重力差，进而驱动回路内的流体，这样即实现依靠自身能量的热量排出。该种系统不需要外部的能量和控制信号，而是依靠自身的物理过程实现其预期的功能，从而避免了由于失去外部动力而导致的失效。尽管拥有不依赖外部能量的非能动特性，自然循环系统的一个重要缺陷是其弱驱动力。弱驱动力将会导致低流量和低换热能力。此外，弱驱动力及其对重力的依赖还会带来系统设计上的约束。
　　研究表明，在自然循环系统的运行中，系统自身的大量能量并未得到有效利用，而被直接排到了热阱中，这从根本上导致了系统的弱驱动力。如果能有效利用系统自身的能量，则有望增强系统的驱动力。这样，系统将拥有自然循环系统和强迫循环系统的双重优势:一方面，驱动力的增强将带来系统性能的改善，如流量的增加、换热能力的增强和设计灵活性的提高;另一方面，系统的运行依赖于其自身能量，保持了系统的非能动特性。基于这一认识，在本研究中分别基于热电转换和热汽泡驱动过程对原自然循环系统进行了设计改进工作。
　　在基于热电转换的设计改进中，分别设计了基于热电转换的空冷自然循环系统和水冷自然循环系统。在所设计的系统中，原自然循环系统换热器的部分换热管采用热电材料制成，热电材料可将热能直接转换为电能，且转换过程不需要运动部件，此换热器相当于一个热电发电机(ThermoElectric Generator, TEG)。TEG的换热管内是高温流体，换热管外是低温流体。受管内外温差作用，热电材料将产生电压，这样高温流体的部分热能被转换为电能。所产生的部分电能被用于驱动循环水泵、搅拌器或风机，促进管内流体的流动和换热器的管外换热。建立了所设计系统的数学物理模型，开发了仿真程序，计算得到了不同条件下的系统性能，并与原自然循环系统进行了对比，证实了所设计系统的可行性。
　　在基于热汽泡驱动过程的自然循环系统的设计改进中，将利用热汽泡的膨胀与冷凝收缩，产生对流体的推动和抽吸作用;借助于流体二极管，将产生正反向的流量差额，从而产生了朝向出口的正向净流量。所设计的驱动系统包括自激振荡腔、驱动腔体、流体二极管及相应的管道，在系统的运行过程中，仅有流体的运动，没有机械部件的运动，从而消除了由于机械部件损坏引发的系统失效，具有更高的可靠性。对所设计的系统开展了建模与仿真工作，并分析了系统的性能，证实了所设计系统的可行性。
　　在本报告中，针对自然循环系统的弱驱动力和低换热能力的问题，基于不同原理对系统开展了设计改进工作。建立了所设计系统的数学物理模型，开发了仿真程序，计算得到了不同条件下的系统性能，证实了所设计系统的可行性。