聚变能是最具前景的清洁能源之一。在托卡马克等聚变装置中实现对高温、高密度等离子体的有效约束是磁约束核聚变研究的关键。实验测得的输运水平往往比新经典输运理论预测值高出1～2个量级,这类反常输运通常是由微观湍流引起的,所以又称为湍性输运。大量向外的粒子、动量和能量的湍性输运将显著降低等离子体的约束性能、制约等离子体的自持燃烧。因此长期以来输运与约束改善是托卡马克等离子体物理研究的核心问题之一。高约束型（high confinement regime,H-mode）和改善型（improved low confinement regime,I-mode）放电实验中发现:输运垒区间的输运水平明显降低,杂质离子在此过程中起着积极作用;杂质辐射型（radiative improved regime,RI-mode）放电实验结果表明:高密度情况下,主动注入或壁材料产生的杂质离子会在外侧峰化形成边缘杂质辐射带并且无杂质聚芯,该放电模式既降低了输运又实现了约束改善。在输运垒区间,虽然长波长扰动引起的湍性输运得到了抑制,但短波长湍性输运依旧存在,因此输运垒的形成和维持机制还需深入研究。同时杂质离子改善约束的作用机理,尤其是杂质外部峰化的维持机制尚未引起足够重视,所以本文主要研究了输运垒和湍性杂质输运两方面内容。本文采用了国内自主开发的包含完整动理学效应的回旋动理学程序HD7,依托国内两大托卡马克装置HL-2A和EAST的实验结果,开展了关于输运垒中微观不稳定性及杂质湍性输运的数值模拟研究。全文分为七章,其中第一章概述了本文的研究背景与研究动机,综述了输运与约束的实验进展及输运理论;第二章简述了湍性输运模型、本文采用的物理模型以及杂质模（impurity mode,IM）的基本理论;第三章至第六章是本文的主要研究内容;最后一章是本文的总结与展望。第三章至第六章的具体研究内容如下:第三章从探究强梯度情况下湍性输运的物理机理和解释EAST约束改善实验两个方面,研究了输运垒中的湍性输运及约束改善问题。一方面,从理论上发现强离子温度梯度（ion temperature gradient,ITG）可激发多支共存ITG模,其中单峰偶对称的ITG模在中等波长区间占优,多峰数的ITG模在长波长和短波长区间占主导;通过输运估算,发现对应I-mode输运垒的参数区间可能是由多峰数的高阶ITG模引起的输运占主导。另一方面,采用EAST实验参数通过数值模拟分析,发现了 ITG模与捕获电子模（trapped electron mode,TEM）的湍流模式转换现象,数值模拟结果与实验上湍流扰动模式转换的观测一致。由此,为EAST上发现的湍流模式转换引起的温度振荡环可能是维持I-mode放电模式稳态运行的物理机理这一实验结果提供了理论依据。由于杂质湍性输运问题的重要性,第四章至第六章从杂质输运数值模拟和分析HL-2A杂质注入实验两个方面开展对杂质湍性输运的研究。第四章主要研究动理学杂质对ITG与TEM及其引起的湍性输运的影响。人们过去通常将杂质作为示踪粒子处理而忽略杂质的动理学效应,本文的研究结果表明杂质的动理学效应对微观不稳定性及其引起的湍性输运的影响不能忽略。ITG模和TEM引起的杂质输运是由密度梯度对应的粒子扩散输运（对角项）起主导作用,温度梯度对应的粒子的热扩散输运（非对角项）起辅助作用。除了 ITG和TEM,杂质离子本身也可以激发另外一支不稳定性,即杂质模（impurity mode,IM）。由于IM在台基区较为重要,所以第五章和第六章将重点分析IM及其引起的湍性输运和相关的实验观测。第五章主要研究了 IM引起的湍性粒子与热输运。基于对IM基本理论与色散方程的分析可知,IM主要由与主离子或电子密度梯度反向的杂质密度梯度激发而非温度梯度。通过进一步研究IM引起的湍性输运发现,即使温度剖面较为平滑（温度梯度近乎为零）时,IM仍然可引起热输运,这表明当热输运通量中没有热扩散输运（对角项为零）时,对流输运（非对角项）仍可对热输运起到关键作用;捕获电子效应主要影响粒子输运,杂质浓度对粒子和热输运的影响相当,从而说明粒子和热输运通道是相互解耦的。第六章通过对IM湍性输运的理论模拟与HL-2A杂质注入实验相结合的方式,探究了杂质外部峰化的维持机制。通过模拟发现强的主离子温度梯度、电子温度梯度有助于缓解IM引起的杂质聚芯并维持杂质剖面外部峰化,此即温度梯度对IM引起湍性输运的屏蔽效应,其中主离子温度梯度的屏蔽效应已在HL-2A的杂质注入实验中得到了验证。进一步分析实验数据发现电子密度梯度增加会导致外部峰化的杂质剖面无法维持,并在数值模拟中得到了证实。本文研究了输运垒中强梯度激发的高阶微观不稳定性及其输运问题,为理解输运垒区间的约束改善提供了理论支撑;通过数值模拟,解释了 EAST上观测到的ITG模和TEM之间的模式交替转换是维持稳态I-mode的物理机制。本文对于杂质输运的研究表明,强温度梯度及低电子密度梯度有利于降低杂质聚芯并维持杂质外部峰化从而实现高密度情况下的约束改善,有助于理解RI-mode放电的约束改善机制。上述结果也表明,在输运垒附近具有强温度梯度和低电子密度梯度的I-mode放电模式有利于维持杂质剖面外部峰化;结合I-mode和RI-mode两种放电模式在约束改善上的优势,预计新的放电模式可能会更有利于提高托卡马克等离子体的约束性能和放电品质。