中国聚变工程试验堆(CFETR)可能是中国下一代聚变装置,其目标除了演示聚变能的产生之外,还将测试聚变堆的材料性能、关键技术以及验证氚自持。CFETR的概念设计研究已经完成,目前在该基础上正在进一步开展物理和工程设计工作。本文的主要内容是围绕着CFETR的芯部物理设计展开。本文利用集成模拟为CFETR设计并优化了两类稳态运行方案,若以加热和电流驱动方式进行区分,这两类运行方案分别是中性束主导和射频波主导的运行方案。我们发现这两类运行方案都能够完成CFETR的聚变功率设计目标。在中性束主导的运行方案中我们创新性地提出利用低注入能量和高注入能量中性束组合的方式来优化等离子体性能。低注入能量的中性束提供较大的转矩,利于有效驱动等离子体旋转从而改善等离子体约束和宏观磁流体性能;高注入能量的中性束能够有效驱动电流以达成完全非感应电流运行的目标。本文采用了电子回旋波和低杂波两种射频波来实现射频波主导的运行方案,不同于传统的低场侧入射,我们将电子回旋波设置为高场侧垂直入射以获得更高的电流驱动效率;将低杂波设置为高场侧入射也可以有更好的可近性从而其功率能够尽可能在芯部沉积。在中性束主导运行方案的基础上,本文还分别研究了轻杂质和重杂质对于等离子体性能的影响,我们发现轻杂质带来的辐射效应和湍流致稳效应之间的竞争效应使得存在一个最优的轻杂质含量使得等离子体聚变性能达到最高,而重杂质的存在则对于等离子体维持住高约束模的运行提出了挑战。除了对运行方案进行集成模拟研究之外,我们也对集成模拟中的个别物理模型进行了实验校核,如湍流输运模型TGLF-Sat0。我们发现TGLF-Sat0能够很好地处理低波数湍流主导的输运,但是当低波数湍流较弱或者高波数湍流较强时,TGLF-Sat0给出的结果将出现明显偏差。为了能够同时处理低波数和高波数湍流分别主导的情况,我们在TGLF方程组的基础上,基于多尺度回旋动理学非线性模拟,提出了一个新的湍流饱和模型TGLF-Vx。它将不同类型的湍流统一在同一个框架下,从而能够连续地处理从低波数到高波数湍流主导情况下的输运,这也是本文工作的创新点之一。除此之外,本文利用TGLF-Sat0和回旋动理学程序GYRO,研究了混合运行模式下的芯部约束改善的原因,我们发现强劲的电磁致稳效应以及动理学气球模进入第二稳定区是使得芯部约束变好的重要原因。