在当今我国能源问题日益凸显和能源结构转型刻不容缓的背景下,发展新型核能系统是重要的手段之一。熔盐本身同样具有良好的热膨胀反应性能,具有设计和发展自然循环熔盐反应堆系统的巨大潜力。中国科学院上海应用物理研究所为此设计研制建造了一个硝酸盐自然循环反应堆实验平台回路,并在此实验平台上广泛地进行实验研究了熔盐的自然循环反应特性。本文首先针对硝酸盐自然循环试验回路结构和功能特性进行了实验设计,并进行了两轮熔盐池温度响应和空冷塔风速响应实验。基于Python语言,采用面向对象的编程方法对硝酸盐自然循环试验回路系统建立数学物理模型,开发出硝酸盐自然循环试验回路数据分析程序。然后基于得到的实验数据,借助开发出的数据分析程序,对系统的瞬态响应特性和稳态流动、换热特性进行了研究。研究表明主回路硝酸盐流动状态能够迅速响应风速变化,而对熔盐池温度变化响应滞后。通过稳态数据研究了自然循环稳态流动-阻力特性,理论推导得到稳态自然循环流量分别与加热功率和系统总阻力之间存在幂函数关系并得到实验验证,首次揭示了硝酸盐自然循环状态下的指数范围。利用实验数据对传统的经验公式进行了评价和修正。针对熔盐自然循环稳态特性,将实验分析得到的结论应用到小型自然循环熔盐堆一回路设计研究中,开发出模块化分析程序,通过对主管道直径对系统高度和熔盐用量的影响研究,采用有约束的双目标优化方法进行优化分析,完成一回路设计。本文的研究结论可为未来实验研究和熔盐自然循环系统设计提供重要参考。