This paper presents Tokamak Energy’s pre-concept design of ST-E1, a low aspect ratio tokamak fusion reactor. Efficacy of radiation shielding in protecting the high temperature superconducting magnets systems is a major driver dictating tokamak size, plant lifetime, and balance of plant. It is crucial that neutronics and material considerations are incorporated into plant design from the earliest design stages and comprehensively taken into account across all areas through the systems engineering framework. At Tokamak Energy, a dedicated workflow for plant-scale neutronics simulations has been developed using G4Tokamak, an in-house application based on the Geant4 toolkit. This workflow enabled faster and more efficient design iterations, and its results were verified through benchmarking against MCNP. A four-part shielding architecture, comprising of the centre column, vacuum vessel, outboard horizontal and vertical elements, was designed to balance neutronics performance, thermal management, structural demands, and cost. The shielding system, at this pre-concept stage, demonstrates the feasibility of limiting the neutron flux to the magnet systems to support a full power life of 30 years, and limiting the nuclear heating of the cold mass within cryogenic cooling capacity. Activation studies highlight maintenance and long-term waste management challenges, with non-reduced activation ferritic martensitic steels and plasma facing components showing the highest activation. Collectively, these results establish a comprehensive neutronics and materials framework, baseline core shielding design for ST-E1, and demonstrate its readiness for progression to detailed concept development.
本論文は、低アスペクト比トカマク核融合炉であるST-E1のTokamak Energyによるプレコンセプト設計を提示する。高温超伝導マグネットシステムを保護する放射線遮蔽の有効性は、トカマクのサイズ、プラント寿命、およびバランス・オブ・プラントを決定する主要な駆動要因である。ニュートロニクスと材料の考慮事項が、設計の最も初期の段階からプラント設計に組み込まれ、システムズエンジニアリングフレームワークを通じて全領域にわたって包括的に考慮されることが極めて重要である。Tokamak Energyでは、Geant4ツールキットに基づく社内アプリケーションであるG4Tokamakを用いて、プラント規模のニュートロニクスシミュレーション専用のワークフローが開発された。このワークフローにより、より迅速かつ効率的な設計反復が可能になり、その結果はMCNPとのベンチマーキングによって検証された。中心柱、真空容器、外側水平要素および垂直要素から構成される4部構成の遮蔽構造は、ニュートロニクス性能、熱管理、構造要求、およびコストのバランスを取るように設計された。このプレコンセプト段階における遮蔽システムは、30年間のフルパワー寿命を支えるために磁石システムへの中性子フラックスを制限し、コールドマスの核発熱を極低温冷却能力内に制限することの実現可能性を示している。放射化研究は、保守および長期的な廃棄物管理の課題を浮き彫りにしており、非低放射化フェライト系マルテンサイト鋼とプラズマ対向コンポーネントが最も高い放射化を示している。総合的に、これらの結果は、ST-E1の包括的なニュートロニクスおよび材料フレームワーク、ベースラインコア遮蔽設計を確立し、詳細概念開発への進展の準備が整っていることを示している。