This paper presents a comprehensive overview of the preliminary divertor design and plasma exhaust scenario for the reactor-class Spherical Tokamak for Energy Production project. Due to the smaller size of the machine, with a major radius less than half that of most DEMO concepts, the current design features a double-null divertor geometry, comprising tightly baffled extended outer legs and shorter inner legs approaching an X-divertor. Leveraging a significant database of SOLPS-ITER simulations, the exhaust operational space is mapped out, offering valuable insights into the plasma exhaust dynamics. An approach involving the validation of simple, yet robust models capable of accurately predicting key exhaust parameters is detailed, thereby streamlining the design process. The simple models are used to simulate the entire plasma scenario from the plasma current ramp-up, through the burning phase, to the plasma current ramp-down. Notably, the findings suggest that pronounced detachment, with peak heat loads below engineering limits and electron temperatures below 5 eV, is achievable with a divertor neutral pressure between 10 Pa and 15 Pa during the burning phase, and pressures below 5 Pa during the ramp-up to maximise the auxiliary current-drive efficiency. Throughout the scenario, an Ar concentration of % in the scrape-off layer (SOL) is required, in combination with a core radiation fraction of 70% driven by intrinsic emission and extrinsic injection of Xe seeded fuelling pellets. However, significant uncertainties remain regarding key parameters such as the SOL heat flux width, Ar screening, and plasma kinetic effects.
本論文は、Energy Productionプロジェクトの炉級球形トカマクにおける予備的ダイバータ設計とプラズマ排気シナリオの包括的な概要を提示する。装置が小型であり、主半径がほとんどのDEMO概念の半分未満であるため、現在の設計は二重零（ダブルヌル）ダイバータ形状を特徴としており、密にバッフルされた延長外足と、Xダイバータに近づく短い内足から構成される。SOLPS-ITERシミュレーションの大規模なデータベースを活用して、排気運転空間をマッピングし、プラズマ排気ダイナミクスに関する貴重な知見を提供する。主要な排気パラメータを正確に予測できる単純だが堅牢なモデルの検証を含むアプローチが詳述され、これにより設計プロセスが合理化される。単純モデルは、プラズマ電流立ち上げから燃焼相を経てプラズマ電流立ち下げまでの全プラズマシナリオをシミュレートするために使用される。注目すべきことに、この知見は、燃焼相中はダイバータ中性粒子圧力が10 Paから15 Paの間で、補助電流駆動効率を最大化するための立ち上げ中は5 Pa未満の圧力で、顕著なデタッチメント、すなわちピーク熱流束が工学的限界未満かつ電子温度が5 eV未満が達成可能であることを示唆する。シナリオ全体を通じて、スクレイプオフ層（SOL）におけるAr濃度%が必要であり、それに加えて、固有放射とXeをシードした燃料ペレットの外部注入によって駆動されるコア放射割合70%が必要である。しかし、SOL熱流束幅、Ar遮蔽、プラズマ運動論効果などの主要パラメータに関しては、依然として大きな不確実性が残る。