多流体平衡模型的简化形式及其在质子-硼型球形托卡马克中的应用
等离子体物理
2026-02-11 v1
摘要
质子-硼 (p-B) 核聚变需要极端离子温度与稳健的约束，使得球形托卡马克 (Spherical Tokamak, ST) 具备高功率中性喷注是首选方案。在这些装置中，强扭转运动与质子与硼离子之间巨大的质量差异驱动出复杂的多流体效应——具体而言是离子在离心力驱动下的种类分离与静电极化效应，这些效应超出了标准单流体磁流体动力学 (MHD) 模型所能捕捉的范围。虽然综合性多流体模型往往数值上呈现刚性问题，但我们发展了一种在保持物理保真度与数值稳健性之间取得平衡的简化模型。该模型保留主要的扭转运动与自洽电势，同时忽略侧向惯性与压力各向异性。模型将广义 Grad-Shafranov方程与各离子部的伯努利关系以及准中性约束相耦合。该模型应用于两个代表性的 p-B ST 配置：实验装置 EHL-2 与反应堆规模 EHL-3B。仿真结果表明，平衡修正由离子马赫数 (M) 决定。在低旋转 regime (M < 0.5) 时，多流体效应较弱，解趋近于单流体极限；然而在 M > 2 时，强大的离心力驱动硼离子在低场侧 (LFS) 积聚，并在内部产生约 10 kV 的静电势。这些发现确认了在准确的 p-¹¹B 反应堆设计中必须采用多流体建模，并为未来探讨稳定性、输运与自由边界动力学奠定了理论基础。
引用
@article{arxiv.2602.09205,
title = {Development of a Reduced Multi-Fluid Equilibrium Model and Its Application to Proton-Boron Spherical Tokamaks},
author = {Huasheng Xie and Xingyu Li and Jiaqi Dong and Zhiwei Ma and Yunfeng Liang and Yuejiang Shi and Wenjun Liu and Yueng-Kay Martin Peng and Lai Wei and Zhengxiong Wang and Hanyue Zhao},
journal= {arXiv preprint arXiv:2602.09205},
year = {2026}
}
备注
11 pages, 7 figures