能量约束对于未来聚变能的实用性至关重要。尽管托卡马克高约束模式（H模）的能量约束时间是低约束模式（L模）的2-3倍,但根据ITER98（y,2）定标率,能量约束时间随着功率的增加而下降,这对未来反应堆高功率运行是不利的。因而在H模运行模式下仍需进一步提高等离子体整体约束性能。EAST装置在射频波主导加热条件下普遍观察到上单零位形反场方向（纵场俯视逆时针）的等离子体性能明显好于顺场（纵场俯视顺时针）,研究反场位形下等离子体性能改善背后的物理机制将有助于未来反应堆高功率高约束运行。在托卡马克高约束运行模式下,偏滤器靶板和第一壁将面临从主等离子体区输运过来的过量稳态热负荷的侵蚀。更严重的是,H模下伴随着周期性爆发的边界局域模（ELM）,其带来的瞬态热负荷将严重侵蚀器壁材料。缓解稳态和瞬态热负荷是托卡马克高约束运行所面临一大挑战。基于外部主动注入杂质的辐射偏滤器技术是近年来发展的有效控制稳态热负荷的一种手段。大量实验表明,外部杂质注入不仅降低靶板热负荷,同时也会对等离子体约束和ELM行为产生重要影响。研究杂质影响能量约束和ELM行为背后的物理机制将为辐射偏滤器在未来反应堆上的应用提供实验参考和理论支持。本文首先建立了射频波主导加热的H模放电统计数据库,运用统计性分析和典型炮对比相结合的方法研究了反场射频波主导加热下等离子体性能改善的主要原因。统计发现反场下更好的等离子体性能主要源于芯部电子温度的显著增加。反场下等离子体性能的改善主要发生在高的低杂波（LHW）功率和有电子回旋共振（ECRH）芯部加热的放电条件下,且在其它放电条件相似的情况下,随着LHW功率的增加,等离子体性能改善更加明显。反场下刮削层密度和再循环水平比顺场更低。本文提出了一种可能的物理机制:反场下刮削层密度和再循环水平相对更低,有利于缓解LHW在边界上的参量衰变不稳定性,减少LHW在边界上的功率耗散,更多的LHW功率将渗透至等离子体芯部,从而获得更好的LHW加热效果,提高芯部电子温度。ELM行为方面,发现不同磁场方向下grassy ELM行为最大不同是反场下更容易出现一种簇状grassy ELM。本文详细分析了 type-Ⅲ ELM背景等离子体下杂质注入实验。实验上观察到杂质注入后,ELM行为从type-Ⅲ ELM转变为低频大幅度ELM,等离子体密度显著增加,能量约束水平没有发生明显下降;在台基区,台基顶部密度及密度梯度明显增加,温度有所下降,台基顶部压强和边界自举电流变化不大,台基压强梯度有所增加。密度显著增加的主要原因可能是杂质改善了粒子约束水平。更多实验表明大幅度ELM爆发与台基密度梯度密切相关。线性稳定性分析表明大ELM的平衡比type-Ⅲ ELM平衡更加不稳定,非线性模拟成功重建了大ELM和type-Ⅲ ELM的崩塌过程。密度梯度扫描的模拟表明,陡峭的密度梯度可以不依赖于对压强梯度和边界自举电流的改变,而通过双流体效应直接解稳低环向模数n和中等n剥离-气球（peeling-ballooning）模,这可能是本实验中杂质触发大ELM的主要原因。本文分析了大小ELM混合的mixed ELM背景等离子体下杂质注入实验。实验上观察到杂质注入后,ELM大部分被抑制且与偏滤器脱靶兼容,密度上升,能量约束水平改善,主要是芯部压强增加导致的;在台基区,台基密度宽度增加,密度梯度显著降低,边界温度下降,导致台基压强梯度和边界自举电流显著降低。研究发现,本实验ELM被抑制的主要物理机制是:杂质注入后台基碰撞率增加,ECM涨落强度增大,增强了台基区粒子向外输运,导致台基密度更加平缓,此外杂质降低边界温度,多种效应导致台基压强梯度和边界自举电流显著降低,使得台基更加稳定,ELM被抑制。基于EAST实验数据和NIMROD双流体模型,本文验证了 EAST装置上有效电荷数Zeff增加（即杂质水平增加）所带来的边界电阻率上升对低n和中等n的peeling-ballooning模具有稳定效应,且不依赖于Zeff剖面是否均匀,但EAST上的这种电阻稳定效应比NSTX装置更弱。这一结果有助于我们深入理解杂质改善约束和缓解ELM背后的物理机制。