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等离子体密度是聚变等离子体的重要参数之一。高密度运行有利于达到点火条件并且也是聚变堆的基本要求。ITER将以密度高达～0.85nGw的H-mode作为基本的运行模式,实现高密度同时保持良好约束的长脉冲运行对于ITER非常关键。在托卡马克实验中普遍观察到过高的密度会导致等离子体约束的退化或发生破裂,即密度极限,其物理机制还需要进一步研究。EAST作为位型及运行模式最接近ITER的全超导托卡马克核聚变实验装置之一,进行高密度及密度极限物理的研究对于ITER具有重要意义。托卡马克运行时等离子体不断发生着能量和粒子的损失,为了维持等离子体的密度,需要通过各种加料手段向等离子体提供工作气体。EAST装置发展了3种加料方法：普通充气、弹丸注入、超声分子束(Supersonic Molecular Beam Injection, SMBI)。SMBI的原理是亚声速高压气体通过加装Laval喷嘴的电磁阀自由膨胀后注入真空区,形成超声分子束流。SMBI系统具有系统简单、较高的加料效率和极短的响应时间等优点。通过台面测试和加料实验得出SMBI的速度在400～1200m/s之间,延迟时间为2～6ms,欧姆放电下粒子沉积位置在最外磁面内3-8cm处。其加料效率在15～30%之间,较普通充气提高了～2倍,加料效率随着密度的增加而降低。SMBI作为密度反馈手段能够在低密度和高密度下均能实现良好的密度反馈效果(误差≤3%),与普通充气反馈相比,其充气量、壁滞留、再循环系数均有明显下降。利用SMBI成功进行了边界局域模(Edge Localized Mode, ELM)缓解实验,ELM幅度的减小程度随着SMBI脉宽增大而增加。并且在ELM-free H-mode期间使用SMBI脉冲成功触发了ELM。EAST在强(或温和)充气条件下就可能发生密度极限放电。对EAST在L-mode和H-mode条件下的密度极限现象进行了分析。在L-mode下,EAST上密度极限发生的过程通常如下：当偏滤器靶板温度降低到到一定程度,等离子体开始发生脱靶;而在这一时间附近,一个高辐射区域,通常表示为’MARFE’ (Multifaceted Asymmetric Radiation From the Edge),开始发展并从偏滤器向X点移动：如果等离子体密度继续增长,MARFE则可能进入主等离子体,引起电流剖面收缩和MHD (magnetohydrodynamic)不稳定性的增长,最终导致等离子体发生破裂。MARFE不一定出现在密度极限破裂之前,但是边缘等离子体冷却的增强仍然是导致密度极限破裂的主要因素。边缘等离子体冷却现象可能是由于杂质粒子或中性粒子增强引起的。通过优化壁处理和辅助加热功率升级,显著地拓展EAST密度运行区。在中性束注入(Neutral Beam Injection,NBI) H-mode密度极限实验中,实验数据显示重杂质(主要是Fe、Cu)在H-mode后期逐渐聚芯,导致辐射增强和芯部温度下降触发了H→L转换。从密度剖面的化说明在台基(pedestal)区存在着一个临界极限,正是这个极限导致边界密度梯度保持了一致性,也阻碍了密度的进一步上涨。在低杂波(Lower Hybrid Wave,LHW) H-mode密度极限实验中,type-Ⅲ ELM的频率随着密度的增长而增加,同时幅度减小。并且H-mode期间存在着一个频率为30～40kHz的边界相干模(Edge-Coherent Mode,ECM),其在SMBI加料进行密度爬升时逐渐消失。整个H-mode期间没有重杂质的积累,辐射剖面保持平坦。其密度剖面与NBI H-mode相比,pedestal区的密度梯度和高度均有下降,而在分界线附近的密度则稍高。LHW在高密度下与等离子耦合良好,并且其反射系数随着密度的上升而下降。通过统计2014和15年高密度放电实验,发现EAST上L-mode和欧姆放电下的密度极限与Greenwald定标比较一致,而H-mode密度极限大概为0.8～0.9nGw。在较低的加热功率下密度极限与加热功率有一定的正相关,但随着功率增大两者关系变得不明显。密度极限与边缘等离子体冷却有着很大的关系,而这与杂质和再循环是非常相关的。通过对Zeff和杂质(OⅡ、WE、CⅢ)谱线强度与ne/nGW的关系的分析印证了这一点,即通常较高的ne/nGW是在较低的杂质水平下取得的。分析Dα强度与ne/nGW的关系也可以发现大多数高密度放电是在较低的再循环水平下取得的。并且发现大部分高密度放电是通过SMBI来实现的,说明SMBI对于高密度运行是一个更好的加料手段。通过对各种条件的分析对比,最为重要的是对杂质和再循环控制进行有效控制,在ITER金属钨偏滤器上单零位型下,以自行研制的可抗电磁干扰且加料效率更高的SMBI为加料手段实现了密度达0.93nGw的稳定H-mode运行,为EAST和未来ITER高密度长脉冲科学研究提供了良好的参考。