As part of the U.S. Department of Energy’s Milestone-Based Fusion Energy Development Program, Tokamak Energy has completed the pre-concept design of the ST–E1 fusion power plant. ST–E1 is envisaged to operate in two phases: a pilot plant phase, targeting sustained net power production of for a duration , followed by a commercial power plant phase targeting steady-state operations and a normalised overnight capital cost of . The design process adopted was highly iterative, integrating all major plant systems and progressing in a phased fidelity approach. At the pre-conceptual stage, the emphasis has been on exploring the design space, identifying the main system-level trade-offs, and making the key decisions that define the overall plant concept, rather than optimising a single operating point. This paper, part of a focused collection detailing the ST–E1 pre-concept design, addresses the development of a series of reference flat-top plasma operating points for the pilot plant phase. A modelling workflow was established to develop and assess candidate plasma design points and explore key dependencies. The workflow includes integrated core plasma modelling, magnetohydrodynamic (MHD) stability assessment, equilibrium generation, scrape-off-layer and exhaust modelling, heating & current drive design and optimisation, and turbulent transport modelling. Using this framework, the impact of several key parameters on the flat-top operating space was investigated, including the density limit, core radiation fraction and divertor power loading, level of external heating and curent drive power and assumed pedestal characteristics. The MHD stability, controllability and micro-stability characteristics of these plasmas were also analysed. These investigations informed the definition of a set of fully non-inductive, flat-top reference operating points that satisfy the high-level ST–E1 mission, including a low and high density case, a case that is stable to resistive wall modes and a case with reduced divertor power loading.
米国エネルギー省のマイルストーン基準核融合エネルギー開発プログラムの一環として、Tokamak EnergyはST–E1核融合発電所の事前概念設計を完了しました。ST–E1は2つの段階で運転されることが想定されています：持続的な正味発電量 を期間 にわたり目標とするパイロットプラント段階、続いて定常運転と正規化されたオーバーナイト資本コスト を目標とする商業発電所段階です。採用された設計プロセスは高度に反復的であり、主要なプラントシステムのすべてを統合し、段階的な忠実度アプローチで進められました。事前概念段階では、単一の運転点を最適化するのではなく、設計空間を探索し、主要なシステムレベルのトレードオフを特定し、プラント全体の概念を定義する重要な決定を行うことに重点が置かれています。本論文は、ST–E1の事前概念設計を詳述する特集の一部であり、パイロットプラント段階のための一連の参照フラットトッププラズマ運転点の開発を扱っています。候補となるプラズマ設計点を開発・評価し、主要な依存関係を探求するためのモデリングワークフローが確立されました。このワークフローには、統合コアプラズマモデリング、磁気流体力学（MHD）安定性評価、平衡生成、スクレイプオフ層および排気モデリング、加熱・電流駆動設計と最適化、ならびに乱流輸送モデリングが含まれます。この枠組みを用いて、密度限界、コア放射割合とダイバータ電力負荷、外部加熱と電流駆動電力のレベル、想定されるペデスタル特性など、いくつかの主要パラメータがフラットトップ運転空間に及ぼす影響が調査されました。これらのプラズマのMHD安定性、制御可能性、および微視的安定性特性も分析されました。これらの調査は、高レベルのST–E1ミッションを満たす一連の完全非誘導フラットトップ参照運転点の定義に情報を提供しました。これには、低密度および高密度のケース、抵抗性壁モードに対して安定なケース、ダイバータ電力負荷を低減したケースが含まれます。