[abridged] We present a detailed comparison of fundamental dark matter halo properties retrieved by a substantial number of different halo finders. These codes span a wide range of techniques including friends-of-friends (FOF), spherical-overdensity (SO) and phase-space based algorithms. We further introduce a robust (and publicly available) suite of test scenarios that allows halo finder developers to compare the performance of their codes against those presented here. This set includes mock haloes containing various levels and distributions of substructure at a range of resolutions as well as a cosmological simulation of the large-scale structure of the universe. All the halo finding codes tested could successfully recover the spatial location of our mock haloes. They further returned lists of particles (potentially) belonging to the object that led to coinciding values for the maximum of the circular velocity profile and the radius where it is reached. All the finders based in configuration space struggled to recover substructure that was located close to the centre of the host halo and the radial dependence of the mass recovered varies from finder to finder. Those finders based in phase space could resolve central substructure although they found difficulties in accurately recovering its properties. Via a resolution study we found that most of the finders could not reliably recover substructure containing fewer than 30-40 particles. However, also here the phase space finders excelled by resolving substructure down to 10-20 particles. By comparing the halo finders using a high resolution cosmological volume we found that they agree remarkably well on fundamental properties of astrophysical significance (e.g. mass, position, velocity, and peak of the rotation curve).

Abstract STEP is a spherical tokamak prototype power plant that is being designed to demonstrate net electric power. The design phase involves the exploitation of plasma models to optimise fusion performance subject to satisfying various physics and engineering constraints. A modelling workflow, including integrated core plasma modelling, MHD stability analysis, SOL and pedestal modelling, coil set and free boundary equilibrium solvers, and whole plant design, has been developed to specify the design parameters and to develop viable scenarios. The integrated core plasma model JETTO is used to develop individual flat-top operating points that satisfy imposed criteria for fusion power performance within operational constraints. Key plasma parameters such as normalised beta, Greenwald density fraction, auxiliary power and radiated power have been scanned to scope the operational space and to derive a collection of candidate non-inductive flat-top points. The assumed auxiliary heating and current drive is either from electron cyclotron systems only or a combination of electron cyclotron and electron Bernstein waves. At present stages of transport modelling, there is a large uncertainty in overall confinement for relevant parameter regimes. For each of the two auxiliary heating and current drive systems scenarios, two candidate flat-top points have been developed based on different confinement assumptions, totalling to four operating points. A lower confinement assumption generally suggests operating points in high-density, high auxiliary power regimes, whereas higher confinement would allow access to a broader parameter regime in density and power while maintaining target fusion power performance.

The Spherical Tokamak for Energy Production (STEP) programme is an ambitious but challenging endeavour to design and deliver a prototype fusion power plant. It is a rapid, fast-moving programme, designing a first of a kind device in a Volatile, Uncertain, Complex and Ambiguous (VUCA) environment, and digital tools play a pivotal role in managing and navigating this space. Digital helps manage the complexity and sheer volume of information. Advanced modelling and simulation techniques provide a platform for designers to explore various scenarios and iteratively refine designs, providing insights into the intricate interplay of requirements, constraints and design factors across physics, technology and engineering domains and aiding informed decision-making amidst uncertainties. It also provides a means of building confidence in the new scientific, technological and engineering solutions, given that a full-scale-integrated precursor test is not feasible, almost by definition. The digital strategy for STEP is built around a vision of a digital twin of the whole plant. This will evolve from the current digital shadow formed by system architecting codes and complex workflows and will be underpinned by developing capabilities in plasma, materials and engineering simulation, data management, advanced control, industrial cybersecurity, regulation, digital technologies and related digital disciplines. These capabilities will help address the key challenges of managing the complexity and quantity of information, improving the reliability and robustness of the current digital shadow and developing an understanding of its validity and performance. This article is part of the theme issue ‘Delivering Fusion Energy – The Spherical Tokamak for Energy Production (STEP)’.