Proton–Boron (p-B) fusion represents a promising pathway toward aneutronic clean energy but requires extremely high ion temperatures and robust magnetic confinement. Spherical Tokamaks/Torus (ST) driven by high-power neutral beam injection are a primary candidate for this regime. In such devices, the combination of strong toroidal rotation and the significant mass disparity between protons and boron ions leads to complex multi-fluid effects—specifically centrifugal species separation and electrostatic polarization—which standard single-fluid magnetohydrodynamic models fail to capture. Conversely, comprehensive multi-fluid models that include poloidal flows often suffer from numerical stiffness and excessive complexity, hindering their use in routine engineering analysis. To address these challenges, we have developed a reduced multi-fluid equilibrium model designed to balance physical fidelity with computational robustness. By retaining the dominant toroidal rotation and self-consistent electrostatic potential while neglecting secondary effects such as poloidal flow inertia and pressure anisotropy, the model is formulated as a generalized Grad–Shafranov equation coupled with species-specific Bernoulli relations and a quasi-neutrality constraint. The model is applied to analyze the equilibrium configurations of two representative p-B ST devices designed by the ENN Group: the experimental EHL-2 and the reactor-scale EHL-3B. Simulation results demonstrate that the equilibrium modification is governed by the ion Mach number (). In the low-rotation regime (), multi-fluid effects are weak, and the solution converges toward the single-fluid limit. However, in the high-rotation regime (), strong centrifugal forces drive significant boron accumulation at the low-field side and generate an internal electrostatic potential on the order of 10 kV. These results confirm the necessity of multi-fluid modeling for accurate p-B reactor design within the assumptions quantified in this work.
陽子–ホウ素（p-B）核融合は、無中性子クリーンエネルギーへの有望な経路であるが、極めて高いイオン温度と強力な磁場閉じ込めを必要とする。高出力中性粒子ビーム入射によって駆動される球状トカマク/トーラス（ST）は、この領域における主要な候補である。そのような装置では、強いトロイダル回転と陽子・ホウ素イオン間の顕著な質量差の組み合わせにより、標準的な単一流体磁気流体力学モデルでは捉えられない複雑な多流体効果、すなわち遠心力による種分離と静電分極が生じる。逆に、ポロイダル流を含む包括的な多流体モデルは、しばしば数値的剛性と過度の複雑さを伴い、日常的な工学的解析への使用を妨げている。これらの課題に対処するため、我々は物理的忠実度と計算的頑健性のバランスを取るように設計された縮約多流体平衡モデルを開発した。支配的なトロイダル回転と自己無撞着な静電ポテンシャルを保持しつつ、ポロイダル流の慣性や圧力異方性などの二次的効果を無視することにより、このモデルは、種別のベルヌーイ関係式および準中性条件と連成した一般化されたGrad–Shafranov方程式として定式化される。このモデルは、ENNグループによって設計された2つの代表的なp-B ST装置、すなわち実験機EHL-2と炉規模EHL-3Bの平衡配位を解析するために適用される。シミュレーション結果は、平衡修正がイオンマッハ数（）によって支配されることを示している。低回転領域（）では、多流体効果は弱く、解は単一流体極限へ収束する。しかし、高回転領域（）では、強い遠心力が低磁場側での有意なホウ素蓄積を駆動し、約10 kVの内部静電ポテンシャルを生成する。これらの結果は、本研究で定量化された仮定の範囲内で、正確なp-B炉設計には多流体モデリングが必要であることを確認するものである。