等离子体与器壁相互作用（Plasma-wall interaction,PWI）是影响未来磁约束核聚变装置稳态放电运行的重要因素之一。在高功率长脉冲放电条件下,来自上游等离子体的强热流和粒子流将沿开放磁力线输运并打到下游偏滤器靶板上,这将侵蚀偏滤器靶板,甚至会造成偏滤器靶板出现熔化、蒸发等现象,缩短了偏滤器靶板材料的使用寿命。另外,因侵蚀产生的大量杂质会渗透到芯部等离子体,稀释背景等离子体且杂质辐射会损失大量能量,冷却背景等离子体,严重时会导致等离子体放电熄火,使核聚变反应无法进行。引入先进的壁处理技术不仅可以改善面向等离子体部件（Plasma-facing components,PFCs）材料表面的性能,提升PFCs材料的热处理能力,还能有效降低边界再循环,这对未来高性能长脉冲等离子体放电运行十分重要。锂被认为是未来核聚变实验装置中最有前景的壁处理材料之一,托卡马克实验中发现应用锂处理壁材料能有效缓解等离子体与PFCs材料的相互作用,降低偏滤器靶板的侵蚀程度,提高等离子体的约束能力。然而,托卡马克三维刮削层中锂杂质输运和辐射行为尚不清楚。为了更好地理解杂质屏蔽效应、辐射偏滤器等离子体及等离子体与器壁相互作用的物理机制,托卡马克装置中边界杂质输运性质的研究显得尤为重要。因此,本文基于我国EAST托卡马克装置的锂应用放电实验,采用三维边界流体输运程序EMC3-EIRENE模拟研究刮削层等离子体中锂杂质输运及其对偏滤器靶板热流沉积分布影响。本文第一章简介了托卡马克装置的限制器位形和偏滤器位形以及托卡马克等离子体的约束模式,阐述了托卡马克中锂应用实验研究的现状以及锂杂质输运的模拟研究进展。第二章介绍了磁约束核聚变装置中边界流体输运模型和基本物理方程的推导及其简化,简述了三维边界蒙特卡罗程序EMC3-EIRENE、EAST放电位形下三维计算网格构建及三维边界条件的设置。第三章针对EAST装置液态锂限制器放电实验环境,应用EMC3-EIRENE程序模拟研究了边界等离子体和杂质的输运以及辐射行为。利用磁力线追踪技术研究三维空间下锂离子的分布结构和辐射模式,追踪结果表明,在EAST装置的边界等离子体区不同价态的锂离子呈现不同的三维平行输运行为。即Li1+和Li2+离子密度沿环向均呈非对称性分布,而Li3+离子密度沿环向呈对称性分布。EMC3-EIRENE模拟的三维线积分LiII辐射（由Li1+离子激发）分布能定性地再现EAST装置上CCD相机系统观测的辐射结果。然而,EAST液态限制器实验中还遗留一个未解决的问题,即现阶段EAST装置诊断设备无法区分何种粒子在偏滤器区产生的强可见光辐射,其产生的物理机制尚不清楚。通过数值模拟定量地对比锂杂质、氘及碳杂质的辐射分布可知,下偏滤器区的强可见光辐射分布主要是由氘辐射分布引起,上偏滤器区强可见光辐射分布主要是由锂杂质和氘辐射的混合引起。第四章基于EAST装置低参数锂粉注入放电实验,应用EMC3-EIRENE程序模拟研究了低参数锂粉注入下锂输运和偏滤器靶板热流沉积分布的特性。首先,定性地对比分析了锂粉注入实验下CCD相机观测结果和EMC3-EIRENE模拟结果,且模拟结果能合理地解释实验观测结果。模拟结果表明,Li1+离子主要分布在上隐蔽区,而Li2+和Li3+离子主要集中在上X点和上游刮削层区。EMC3-EIRENE模拟的三维线积分辐射分布与EAST装置上CCD相机观测的LiII和氘辐射分布呈现相似的空间辐射结构。其次,利用数值模拟定量地分析了锂粉注入位置对锂杂质和背景等离子体输运的影响。模拟结果显示,在EAST下单零磁场位形下,下游位置注入锂粉能将锂离子屏蔽在摩擦力主导的下游偏滤器区;而外中平面位置注入锂粉能增大锂杂质辐射强度,导致锂杂质辐射功率增大,进而降低偏滤器靶板的平行热流和粒子流峰值。第五章以EAST装置高参数锂粉注入为背景,应用EMC3-EIRENE程序模拟研究了高参数锂粉注入下边界等离子体和锂杂质输运性质。模拟结果显示,不同锂注入位置下Li1+和Li2+离子密度均呈环向非对称性分布;在上隐蔽区注入锂,Li3+离子密度呈环向非对称性分布;在邻近上外偏滤器区注入锂,Li3+离子密度呈环向对称性分布。上隐蔽区注入锂有利于屏蔽低价态锂离子,抑制锂离子聚芯;而邻近上外偏滤器区注入锂能降低偏滤器靶板的垂直热流峰值,使其降到10 MW/m2以下。另外,在邻近上外偏滤器注入锂,Li3+离子的径向穿透深度最大,Li2+离子次之,Li1+离子最小。增大锂注入速率将提升外中平面位置处各价态锂离子的径向分布以及锂离子总数,导致边界等离子体的有效电荷数增大,锂杂质辐射功率随之增强,进而降低上偏滤器内外靶板的垂直热流峰值。第六章总结了本文研究工作,阐述了论文工作的创新点,对后续研究工作提出展望。