STEP原型装置的球形托卡马克尺寸设计

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Sizing the Spherical Tokamak of the STEP Prototype Plant

STEP计划旨在2040年前在英国建成原型聚变能装置，并探索商业化路径。原设计内径1.6米，主要半径3.6米，环向磁场3.2T，但因屏蔽不足导致寿命问题。通过蒙特卡洛模拟优化磁体尺寸和屏蔽厚度，增大至内径1.9米、主要半径4.275米，降低磁场至3.0T，提升系统可行性。

　　

摘要：

“球形托卡马克能源生产计划”（STEP）的目标是到2040年建成一座英国原型聚变能源装置，并为实现聚变的商业化奠定基础。该原型装置的初步设计旨在实现至少100兆瓦的净电力输出，实现氚的自给自足，展示高效的热能产生能力，并证明其具备商业运行的可行性。该装置的内部结构尺寸为1.6米，主半径为3.6米，环向磁场强度为3.2特斯拉。这一设计的主要限制因素是内部空间限制，为满足这些要求，系统设计面临诸多挑战，尤其是内部磁线圈的屏蔽问题，导致其使用寿命较短。本文针对STEP原型装置（SPP）进行了尺寸优化研究，重点关注磁体、屏蔽材料和等离子体方面的改进。我们采用蒙特卡洛方法对磁体尺寸和屏蔽层厚度进行模拟分析，以考虑各种不确定性因素并调整这些组件的尺寸。通过增加内部结构尺寸和主半径（同时保持固定纵横比），我们成功降低了等离子体周围的环向磁场强度。最终优化后的STEP原型装置内部结构尺寸为1.9米，主半径为4.275米，环向磁场强度降至3.0特斯拉。