混合模式和先进模式是未来国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER）的基本运行模式。这两种运行模式优化了托卡马克装置中非感应的靴带电流占总等离子体电流的份额,对外部非感应电流驱动设备的依赖程度最低。靴带电流的电流密度分布是偏离磁轴的,因此经过优化后的大份额的靴带电流整体抬升了芯部的安全因子剖面,安全因子最小值qmin得以保持在1以上。其中,先进模式由于有更大的靴带电流份额,其等离子体电流在芯部中空分布,芯部安全因子剖面呈现出负剪切的形态,混合模式则因其稍小的靴带电流份额,等离子体电流在芯部分布较为平坦,芯部安全因子剖面呈现出弱剪切形态。在这两种安全因子剖面下,等离子体电流会自发向芯部扩散,激发出长寿模不稳定性。EAST全超导托卡马克从2016年物理实验开始观测到混合模式下的长寿模不稳定性。长寿模不稳定性恶化了背景等离子体约束,产生全局性的背景等离子体温度、密度扰动,造成高能粒子损失,限制了等离子体比压、储能等参数的进一步提高。依托EAST装置完善的诊断系统,论文对长寿模进行了实验研究,详细分析了长寿模的激发过程、模式特征、模式非线性演化以及伴随长寿模的环向模耦合现象。根据实验研究结果,论文选取三维非线性磁流体力学模型对EAST长寿模进行模拟研究,模拟结果解释了长寿模的长时间尺度及其在维持混合模式中的作用。此外,为了解释长寿模的形成机理,论文对准交换模进行了三维非线性模拟,模拟结果首次阐明了准交换模在驱动锯齿崩塌后逐渐达到饱和形成长寿模的物理图像。最后,EAST上频繁观察到长寿模转化为锯齿不稳定性,长寿模转化为鱼骨模不稳定性的实验现象,因此,论文开展了与长寿模紧密相关的锯齿和鱼骨模不稳定性的实验研究。论文主要成果如下:Ⅰ.实验研究了 EAST混合运行模式下的长寿模不稳定性特征。研究结果表明1/1模式的长寿模始终伴随着独立的2/1模式;EAST上大范围的平化的环向旋转剖面是导致1/1模和2/1模式环向模耦合的关键因素;1/1模式的增长能够抑制2/1模式,避免高比压下新经典撕裂模的出现。Ⅱ.模拟研究了 EAST实验中出现的长寿模不稳定性。模拟结果给出了长寿模在环向的三维分布图像,揭示了在长寿模饱和阶段,芯部平坦的安全因子剖面可以阻止等离子体电流向芯部进一步扩散,有利于混合模式的长时间维持。Ⅲ.模拟研究了准交换模到达饱和状态并形成长寿模的具体过程。模拟结果解释了长寿模的形成机理,揭示了混合模式等离子体中长寿模的形成和准交换模驱动的锯齿崩塌的相关性,首次建立了锯齿崩塌形成长寿模的转换关系:首先,准交换模驱动锯齿崩塌抬升了芯部安全因子剖面;其次,锯齿崩塌后中空的压强剖面不足以继续驱动准交换模;最后,锯齿崩塌时粒子流向q=1面外的迁移在极向不对称,造成极向等离子体旋转,极向旋转对准交换模起到致稳作用。这些因素使得锯齿崩塌后准交换模得以保持稳态并形成长寿模。Ⅳ.实验研究了 EAST实验观察到的两类鱼骨模现象,研究发现热压驱动鱼骨模没有造成明显的高能离子损失,还可以排除芯部聚集的重金属杂质,对维持混合模式等离子体有着积极作用。实验研究了长寿模和鱼骨模的转化关系,研究结果表明,鱼骨模和长寿模的相互转化与高能粒子比压密切相关。综上,论文依托EAST装置,系统研究了长寿模不稳定性以及和长寿模相关的锯齿和鱼骨模不稳定性,探讨了这些磁流体力学不稳定性对维持稳态高性能等离子体的贡献。理解混合模式等离子体中长寿模、锯齿和鱼骨模不稳定性的激发、维持和转换过程的机理,将为避免、缓解乃至主动控制这些不稳定性提供理论和实验基础。