托卡马克是最有可能实现聚变能工业化的途径之一。然而托卡马克装置由于宏观磁流体不稳定性以及控制失误会导致等离子体大破裂的发生。发生等离子体大破裂时,等离子体内部所储存热能的瞬间释放会导致第一壁材料承受超强的热负荷;而存储在等离子体内部磁能的释放所形成的电磁力也会破坏装置内部结构;同时大破裂导致的强环向电场产生高通量的高能逃逸电子,对装置的第一壁材料构成潜在的威胁。由于托卡马克装置中是通过大的等离子体环电流来实现磁力线的旋转变换以确保其约束性能,而等离子体电流密度梯度以及压强梯度往往又会触发一些宏观磁流体不稳定性,因此托卡马克这种自身特点致使等离子体大破裂目前尚不能完全避免,通过可靠破裂预警和破裂缓解措施减小上述破裂危害是未来聚变堆首选的应对之策。然而要实现破裂危害的有效缓解需要对破裂缓解过程的物理机制有清晰的认识,因此研究破裂缓解物理过程对缓解和避免破裂是具有重要意义的。通过杂质气体注入托克马克等离子体来缓解等离子体中内能和电磁能是目前破裂缓解的主要手段,先前的研究结果表明,通过杂质注入所引发的宏观磁流体力学不稳定性(MHD)对于破裂缓解过程有着重要影响。然而,该破裂缓解的发生过程并没有被完全认识清楚。其中只有明确引发破裂的关键物理因素,才能更有效地实现破裂危害的缓解。先前的相关实验和数值模拟使用大量杂质注入(MGI)的方式触发破裂,但是破裂持续时间极短,较难分析出关键点。所以,本文采用超声分子束注入(SMBI)触发破裂,得到幅度较小、持续时间较长的小破裂过程,由此深入开展破裂发生机制的研究。本文分别采用物理实验和数值模拟方法进行在不同杂质注入量条件下从小破裂演化到大破裂的物理机制研究。为了保证结论的准确性,数值模拟中采用实验较为一致的参数,进行杂质注入引发破裂的数值模拟研究。实验结果表明,SMBI注入的氩杂质造成边界辐射冷却,该冷前锋从等离子体边界传播到芯部区域。当冷前锋传播到相应的有理面时,杂质冷却会引发不同的磁流体不稳定性模式的增长,最后引发等离子体芯部温度的多次崩塌。本文使用三维磁流体动力学不稳定性模拟程序NIMROD进行SMBI触发小破裂的数值模拟,并与实验结果进行细节对比。模拟结果再现了实验中观察到的现象,例如在杂质穿透前期,边界区域的高m分量不稳定性快速增长引发q≥2局部区域的温度崩塌,同时芯部温度存在小幅扰动。随后,m/n=2/1和3/2的模式耦合和芯部区域的不稳定性,诱发q≤2区域的热量快速向外输运。注入的杂质量决定了2/1模的幅度,进而影响杂质进入q=2有理面内的过程。而大量的杂质注入会直接触发等离子体大破裂,直接中断等离子体放电。此外,研究还发现每阶段的小破裂区间都包括一个快速的崩塌阶段和一个缓慢的恢复阶段。小破裂后随即发生的恢复过程中,不稳定性减小并且随机化区域缩减,由此等离子体部分参数有一定程度的恢复。结果表明等离子体环向转动对小破裂后部分等离子体参数恢复起着关键作用,并且芯部温度的崩塌时间与环向转动的陡降时间一致。上述数值模拟和实验研究加深了对杂质气体注入引发的小破裂和大破裂物理过程的认识,其中杂质注入量的不同对破裂缓解演化过程有着决定性的影响。不同杂质气体量所引发的不同程度宏观磁流体不稳定性,影响了整个等离子体区域的磁面随机化程度,从而改变了芯部区域的杂质混合率。这些研究结果对于理解杂质气体注入缓解破裂危害的物理过程有着重要参考价值,为我们后期进行大量杂质气体注入破裂缓解的热辐射环向不对称性研究奠定了基础。