Success of the UK’s Spherical Tokamak for Energy Production (STEP) programme requires a robust plasma control system. This system has to guide the plasma from initiation to the burning phase, maintain it there, produce the desired fusion power for the desired duration and then terminate the plasma safely. This has to be done in a challenging environment with limited sensors and without overloading plasma-facing components. The plasma parameters and the operational regime in the STEP prototype will be very different from tokamaks, which are presently in operation. During fusion burn, the plasma regime in STEP will be self-organizing, adding further complications to the plasma control system design. This article describes the work to date on the design of individual controllers for plasma shape and position, magneto hydrodynamic instabilities, heat load and fusion power. Having studied ‘normal’ operation, the article discusses the philosophy of how the system will handle exceptions, when things do not go exactly as planned. This article is part of the theme issue ‘Delivering Fusion Energy – The Spherical Tokamak for Energy Production (STEP)’.

Abstract Control of heat exhaust is essential for the operation of power producing fusion reactors. Here, we present results of heat exhaust feedback control experiments in JET and AUG. In JET, we demonstrate the first X-point radiator (XPR) control in DD and DT discharges using argon seeding. In AUG, we improve the XPR control with nitrogen seeding, resulting in achieving the first detached L-H and H-L transition (in a single discharge). The controllers are designed using a model-based design procedure. The required models are obtained experimentally using perturbative (system identification) experiments. We study the dynamic response of the XPR to various seeding species and varying operating conditions. We find that the sensitivity (relative gain) of the XPR varies as function the height of the radiator inside the confined region but that the relative phase is consistent for all operating points. In AUG, the XPR is also less sensitive to impurity seeding changes for higher heating powers. In JET, we show that the X-point radiator dynamics are the same for DD and DT plasmas. However, we observe that XPR control is only possible with argon and not with neon. The results show that a controller might well be designed in earlier stages of operation of a future device, but remains applicable and can be further tuned for full power operation.

Abstract Because of the carbon macro-segregation inherent to the large thickness flat component manufacturing, the Fracture Mechanics Assessment (FMA) of the Steam Generator Tube-Sheet (SG-TS) was required for flaws postulated close to the primary (and cladded) surface or the secondary (non-cladded) surface in France. For those assessments, a flaw relying two holes is postulated, which represents a singular configuration compared to conventional FMA. Indeed the flaw is relatively small in comparison to the plate thickness and the crack length is limited by the distance between two holes. To take benefit of the geometry effect of this configuration, a methodology based on a modified global approach was proposed [1]. Applications of this methodology predict benefits of loss of constraint for several tubesheet configurations as underclad flaw or surface flaw with mechanical or thermomechanical loading. Significant constraint effect for underclad flaw and moderate effect for surface effect are estimated. To validate the relevance of this approach, two actions are undertaken: - In the first one, this methodology is applied on an experimental data base which different constraint effect. This data base contains numerous fracture tests performed by both EDF and Framatome on various specimen geometries extracted from a 18MND5 low alloy ferritic steel plate, in the brittle-to-ductile transition regime. C (T), SE(T), SE(B), and non-standard specimens. - In the second one, this application rule is validated through the interpretation of fracture tests performed in the brittle to ductile transition temperature range of specimen representative of a flaw between two isthmuses. The results obtained by this application appear accurate, providing very interesting perspectives for the assessment of the SG-TS, but also the assessment of other configurations such as small surface flaws configuration encountering constraint loss (loss of constraint called the small flaw effect).