离子回旋波加热是聚变磁约束装置上最重要的辅助加热方式之一。此外,离子回旋频段的快波在托卡马克等离子体中传播没有密度极限,可以非感应驱动芯部电流,其模转换波也具备控制电流分布的潜力。因此,离子回旋波加热和电流驱动问题是受控核聚变研究的重要课题,有助于托卡马克稳态长脉冲运行、提升等离子体参数以及实现更高性能的约束模式。本文结合我国全超导托卡马克EAST上的相关实验,采用二维全波方法对离子回旋波近轴和离轴加热问题,离子回旋波电流驱动的效率优化以及利用模式转换控制电流分布进行系统的理论模拟研究。进一步明晰了离子回旋波加热,电流驱动的各种物理机制,为相关实验提供理论依据和优化方案。主要成果如下:(1)针对EAST最近两炮加热效果较好的离子回旋波近轴和离轴加热实验进行理论模拟研究,深入分析实验中的潜在物理机制,解释实验现象。对离子回旋波近轴加热的研究表明:93%的波功率通过离子回旋共振吸收机制被近轴处的离子吸收,其中少数离子吸收占主导地位,然后通过碰撞慢化把能量传递给本底离子和电子。对离子回旋波离轴加热的研究表明:尽管离子基频和二次谐频吸收区域处在温度、密度都较低的离轴区域,仍有91.69%的总功率被离子吸收,极低的少数离子浓度对有效的离轴加热起到关键作用,粒子输运最终使得离子温度出现了整体的抬升,这与实验结果相符。还研究了有限拉莫尔半径效应和离子吸收的多普勒展宽对离子回旋波加热的影响。(2)针对EAST上的实验参数,研究了离子回旋频段波电流驱动。为提升电流驱动效率,提高电子的单次通行吸收,就要确保电子吸收在与其他阻尼吸收机制竞争中占优。研究结果表明通过选择恰当的发射波频率:f=50-65MHz和f≥85MHz,避开离子回旋共振吸收的竞争,能提高快波电流驱动效率,最高可以达到120kA/MW;在离子回旋共振层位于低场侧的情况下,天线极向发射位置的上移使得低场侧天线发射波能绕过离子回旋共振区,传入等离子体芯部,有效驱动电流。研究了双离子等离子体中的模转换电流驱动,模转换电流驱动效率和少数离子浓度密切相关,少数离子浓度为22%时,电流驱动效率最高,模转换电流驱动效果优于直接快波电流驱动。另外,还研究了跟天线发射波谱有关的环向模数对于电流驱动效率的影响。(3)提出一种新的等离子体电流分布控制方法–利用离子回旋波模式转换控制电流分布。快波通过模式转换激发出本不能传入等离子体中离子伯恩斯坦波和离子回旋慢波,具有准静电性的模转换波驱动电流具有很强的局域性。研究发现通过改变发射波频率和少数离子浓度移动模转换层的位置,可以调控驱动电流密度峰值的径向位置在-0.60≤r/a≤0范围内变化,最大模转换离轴电流驱动效率达到233kA/MW,其中模转换离子回旋波在电流驱动中起到重要作用。另外,还研究了等离子体温度、密度以及环向模数对模转换离轴电流驱动的影响。