實驗室環境下點火目標的實現，重新激發了學界對未來高增益慣性約束聚變（ICF）裝置需求定義的關注，這是開展后續研究的核心出發點。當前的點火實驗均依賴間接驅動方式，具體而言，激光能量首先通過照射靶丸周圍黑腔的內壁，轉化為 X 射線，以此驅動靶丸聚變，該過程的原理可參考圖 1 (a)。

與之相對，直接驅動 ICF 提供了一條更具前景的點火替代路徑 —— 相比間接驅動，它能以顯著更低的激光能量實現點火。在直接驅動聚變中，激光直接照射聚變靶丸，幾乎能將全部能量耦合到燃料，其能量利用效率優勢明顯，該過程原理可參考圖 1 (b)。而間接驅動存在顯著缺陷：在激光能量轉化為 X 射線的過程中，大量能量會被損耗，這也是直接驅動被視為更優路徑的關鍵原因。

不過，要充分發揮直接驅動的潛力，必須先克服兩個導致其性能退化的核心問題：壓印與激光 - 等離子體不穩定性（LPIs）。

其中，壓印現象的產生機制是：激光束中的尖峰結構（即激光散斑）會在靶丸表面形成不必要的三維不均勻性，這些不均勻性會成為流體動力學不穩定性的 “種子”，為后續聚變過程埋下隱患。

LPIs 的產生則是由于激光穿過靶丸表面的膨脹物質時，與等離子體波發生相互作用，這種相互作用會引發兩種負面效應 —— 一是使激光發生散射并偏離靶丸，降低激光與靶丸的耦合效率，二是會加速少量電子至足夠高的能量，這些高能電子能穿透靶丸深處，對燃料進行預熱，而預熱會導致燃料更難被壓縮，直接影響聚變效果。

值得關注的是，新型激光技術為解決上述兩個問題提供了有效方案 —— 通過增大激光帶寬（即激光光波長的范圍），既能抑制 LPIs，又能更有效地平滑壓印現象。隨著下一代激光技術的出現，當前已進入關鍵研究窗口期：學界需著手明確點火所需的靶丸參數要求，進而確定具備直接驅動點火能力的裝置的設計約束條件，為后續裝置研發奠定基礎。

在 ICF 設計領域，輻射流體動力學代碼是指導設計過程、推斷內爆退化機制的核心工具，整個 ICF 研究社群對其依賴度極高。但當前存在關鍵技術瓶頸：現有代碼無法以足夠高的精度復現以往實驗結果，導致難以在廣泛的參數空間內可靠預測內爆性能。基于此，學界采用了多種策略來彌補這一缺陷 —— 通過結合模擬預測、實驗數據與專家知識，形成更全面的內爆性能預測體系。

從設計方法來看，絕大多數 ICF 內爆設計采用一維（1D）模擬，但該模擬存在固有局限：它無法考慮三維流體不穩定性的影響，這使得設計結果與實際工況存在偏差。當使用一維模擬進行內爆設計時，“提升一維性能” 與 “增加流體不穩定性敏感性” 之間存在不可避免的權衡關系，具體表現為兩個典型案例：其一，降低比壓（比壓是燃料熵的度量指標）能在一維模擬中提升壓縮效果與聚變產額，但會顯著增加靶丸對瑞利 - 泰勒（RT）不穩定性增長的敏感性；其二，減小激光光斑尺寸能增加靶丸吸收的激光能量，但會以犧牲激光驅動均勻性為代價。

為量化靶丸對激光光斑尺寸的敏感性，學界常用光束半徑與靶丸半徑之比（Rb/Rt）作為表征參數。此外，若要在數百千焦激光能量下實現靶丸點火，必須采用焦斑變焦技術 —— 即在靶丸會聚過程中減小激光光斑尺寸，但該技術會加劇小激光光斑帶來的問題（如驅動均勻性下降），進一步增加設計難度。

在歷史研究中，學界曾通過一種統計模型實現靶丸性能的顯著提升：該模型將模擬與實驗結合，能在理解充分的參數空間內做出可靠預測。但未來裝置性能預測面臨新挑戰 —— 需要將模型外推到理解尚不充分的實驗條件，而這類外推存在固有風險：它要求物理過程按可預測的方式定標，但從 ICF 研究歷史來看，物理過程的定標往往不具備這種可預測性。因此，確保采用基于 “強物理” 的方法進行外推，是當前預測未來裝置性能的最佳途徑，這一原則為后續設計方法的提出奠定了理論基礎。

ICF 內爆設計的核心目標是找到最優輸入參數集以最大化性能 —— 這些參數包括靶丸尺寸、激光脈沖形狀、光斑尺寸等，它們能為中子產額等可測量量提供最優值。同時，優化過程必須考慮工程約束，例如激光強度上限（需避免損壞光學元件）。為降低設計復雜度，科學家常以模擬結果替代實驗測量，例如用更簡單的一維模擬預測實驗中的聚變產額。模擬的顯著優勢在于效率：幾小時內可運行數千次，而實驗一整天通常只能測試少量靶丸；但一維模擬的缺陷同樣突出 —— 它無法完全捕捉真實物理過程，因此必須進行額外調整以確保準確性。

文中后續討論的兩種設計方法（穩定性約束法與替代模型法），均以一維模擬的預測結果為基礎，這意味著需要額外增加設計約束，以應對三維流體不穩定性等會造成性能損壞的效應。基于此，ICF 內爆的整體設計過程可分為三步：第一步，利用實驗數據與先進的二維 / 三維模擬，以一維模擬為替代工具，定義簡化的優化問題；第二步，在相應的設計約束范圍內，通過一維模擬找到最優內爆設計；第三步，用更詳細的二維或三維模擬驗證設計的可行性。

上述兩種設計方法的核心差異在于：在近似過程中考慮三維效應的方式不同。即便一維模擬具備計算高效性，研究人員也常根據具體問題的復雜性，選擇 “較好的局部最優解” 而非 “全局最優解”—— 這是因為全局最優解的求解難度過高，且可能超出工程實現范圍。

穩定性約束法的核心邏輯是：先利用簡單物理原理理解靶丸性能（不考慮復雜三維效應），再基于當前實驗結果設定穩定性限制，進而約束設計選項。該方法關注兩個核心穩定性因素：

第一個因素是抗瑞利 - 泰勒（RT）不穩定性能力，其約束條件由經驗推導的穩定性參數決定 —— 需滿足I_α=6α^1.1/IFAR>1。其中，α代表比壓，IFAR（飛行中縱橫比）的定義為：在會聚比為 1.5 時，靶丸半徑與靶丸厚度的比值。

第二個因素是抗光束模式（BM）增長能力，該能力與激光加熱靶丸的均勻性直接相關。為保證 BM 增長穩定性，需設定初始光束半徑與靶丸半徑之比為 0.95—— 這一參數在 OMEGA 實驗中已被驗證能提供良好的 BM 穩定性。當前研究存在數據缺口：尚無實驗數據能證明激光聚焦（即 “變焦”）的變化對性能的影響，因此在設計靶丸時，必須保留一定的產額冗余，以應對潛在的變焦相關問題。

從參數權衡關系來看，低比壓內爆的優勢是壓縮性提升，但代價是 RT 不穩定性增長更顯著；低 IFAR 內爆（即靶丸殼層更厚）的優勢則是對流體不穩定性的敏感性更低，這些權衡關系是設計過程中必須考量的核心矛盾。

為找到最優設計方案，學界采用簡單定標關系描述靶丸性能、形狀與激光能量、壓力、靶丸壓縮等因素的關聯，并為內爆靶丸設定實現聚變所需的最小速度。

圖 2 展示了不同激光驅動器能量下，增益（能量輸出指標）與 IFAR（內爆對流體不穩定性敏感性指標）隨比壓變化的定標關系，其中虛線標記了由實驗推斷的流體動力學穩定性閾值。

從定標關系可得出關鍵結論：100 千焦激光能量的設計方案，其聚變穩定性不足以支撐點火；200 千焦激光能量的設計方案雖具備穩定性，但僅能產生低能量輸出；300 千焦激光能量的設計方案既能保證穩定性，又能產生良好的能量輸出。基于這些結論，研究最終確定：250 千焦激光能量應能為裝置提供安全的運行空間 —— 后續可通過一維模擬進一步優化設計，再用更復雜的三維模擬測試其穩定性，形成 “優化 - 驗證” 的閉環。

替代模型法的核心功能是：在更簡單的一維模擬中納入三維效應 —— 通過構建 “替代模型” 實現這一目標。該模型以知名模擬代碼（lilac）為基礎，但增加了額外計算模塊，專門用于估算三維不穩定性的影響，從而彌補一維模擬的固有缺陷。

替代模型的訓練過程具備嚴格的實驗關聯性：其訓練數據來源于經實驗結果調諧的三維模擬 —— 先通過調諧使三維模擬與實驗結果匹配，再用匹配后的模擬數據訓練替代模型，確保模型能反映真實物理過程。這種方法的顯著優勢是：研究人員可在設計中考慮焦斑變焦的影響，且無需將設計限制在 “最小內爆速度” 這一單一條件內，大大提升了設計靈活性。在本文研究中，團隊采用遺傳優化算法，結合多次模擬迭代，最終找到最優設計方案。

替代模型法存在多種變體，其差異主要體現在替代模型的形式與訓練方式上，具體可分為三類：第一類，利用冪律或神經網絡等轉換函數，修改模擬輸出以匹配實驗結果；第二類，通過修改模擬輸入參數，使模擬結果與實驗匹配；第三類，訓練神經網絡替代模型，使其與經實驗調諧的二維 / 三維模擬結果匹配 ，這些變體為不同場景下的設計提供了多樣化選擇。

兩種設計方法（穩定性約束法與替代模型法）均采用統一的一維約束條件，這些約束是設計的基礎框架，具體包括：激光能量設定為 250 千焦；靶丸為充有氘氚（DT）氣體的艙體，且包含 DT 冰層，燒蝕層有兩種選擇 —— 浸有液態 DT 的塑料泡沫，或氘化塑料；激光脈沖形狀為 “單尖峰 - 平臺期 - 平滑上升至恒定峰值功率” 的組合形式；采用單級變焦技術 —— 在激光脈沖傳播中途減小激光焦斑尺寸。

此外，設計中還做了關鍵假設與限制：假設通過激光帶寬技術，已抑制跨光束能量轉移等 LPIs；同時，將激光強度限制在1.2×10¹⁵ W/cm²—— 因為更高的強度可能需要超出實際可行范圍的激光帶寬，無法在工程上實現。

基于上述約束，兩種方法各設計了兩類內爆方案：一類采用浸泡沫燒蝕層（穩定性約束法對應 SC1、替代模型法對應 SM1），另一類采用塑料燒蝕層（穩定性約束法對應 SC2、替代模型法對應 SM2），各方案的靶丸設計與對應脈沖形狀可參考圖 3。

在設計優化過程中，替代模型法（SM）的優化依據是 OMEGA 實驗中觀察到的壓印與光束錯位水平 —— 確保設計能應對實際實驗中存在的擾動。兩種方法的設計偏好存在顯著差異：穩定性約束法（SC）通常得到 “更小、低比壓” 的靶丸，這類靶丸的熱斑更小、殼層更大；而替代模型法（SM）更傾向于 “高比壓、高縱橫比” 的設計 —— 這類設計能高效地將能量耦合到熱斑，且無需聚集大量質量。

這種設計偏好差異帶來的直接影響是：SM 設計因能更高效利用激光能量，無需采用強烈的焦斑變焦，因此由光束模式與錯位引發的擾動更小。不過，未來裝置可通過技術改進優化 SC 設計的可行性 —— 若設計中采用更多激光束的對稱排布與更平滑的光束，就能實現更小激光焦斑的穩定運行，從而讓 SC 設計更具實用價值。

采用多種設計方法的核心價值在于 “交叉驗證”：當多種方法均證明某一設計具備穩定性時，結果準確性的置信度會顯著提升；若方法間存在預測分歧，則需開展進一步研究排查原因。

表 1 列出了評估各設計穩定性特征所需的關鍵參數，包括燒蝕層類型、比壓、穩定性參數、最小激光光斑與靶丸尺寸比、不同擾動下的增益、一維增益等。

從表 1 數據可得出關鍵結論：盡管未對 SM 設計施加明確的穩定性約束，但 SM 設計仍滿足或接近滿足 SC 方法的穩定性要求；不過，在所有設計中，僅有 SM1 能同時滿足穩定性約束，且在替代模型中被預測可實現點火（增益 = 2.3）—— 這表明 SM1 是當前最具潛力的設計方案。

文中討論的兩種設計方法，其核心目標是 “加速 ICF 設計進程”—— 通過結合實驗測量信息的一維模擬解決優化問題，在保證一定準確性的前提下提升設計效率。無論采用哪種方法，“二維 / 三維模擬驗證” 都是設計流程中不可或缺的環節：需通過這類模擬驗證預測結果的可靠性，并確認設計的穩定性，這是評估 ICF 靶丸及其穩健性的關鍵數據支撐。

圖 4 展示了 SC1 設計在特定條件下的二維 draco 模擬結果 —— 條件為 “聚變峰值時刻（bang time）、名義 RT 種子水平、無光束錯位”，模擬呈現了該設計的等離子體密度與溫度分布。從模擬結果可得出重要結論：若將靶室周圍的激光束數量從 60 增加到 108，靶丸的對稱性會提升至 “增益 > 1” 的水平 —— 這為后續裝置的光束排布設計提供了明確指導。

綜合全文研究，有三大核心結論：

（1）直接驅動 ICF 相比間接驅動，是更具前景的點火路徑 —— 其所需激光能量更低，但需攻克壓印與 LPIs 兩大挑戰；而激光帶寬增加等技術進步，已為解決這些挑戰提供了有效方案。

（2）ICF 內爆設計的核心是 “平衡”—— 需在一維內爆性能與流體動力學穩定性之間找到最優平衡點；當前的設計方法通過 “一維模擬 + 統計映射 / 替代模型” 的組合，有效納入了三維不穩定性的影響，確保在廣泛設計空間內做出穩健預測。

（3）未來激光裝置的設計需嚴格遵循約束條件 ——250 千焦激光能量的靶丸被確定為潛在的穩健運行空間；通過先進光束排布與激光勻滑技術的進一步優化，可提升設計穩定性、抑制不穩定性，為實現點火與高增益奠定基礎。