實驗室環(huán)境下點火目標(biāo)的實現(xiàn)，重新激發(fā)了學(xué)界對未來高增益慣性約束聚變（ICF）裝置需求定義的關(guān)注，這是開展后續(xù)研究的核心出發(fā)點。當(dāng)前的點火實驗均依賴間接驅(qū)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(nèi)壁，轉(zhuǎn)化為 X 射線，以此驅(qū)動靶丸聚變，該過程的原理可參考圖 1 (a)。

與之相對，直接驅(qū)動 ICF 提供了一條更具前景的點火替代路徑 —— 相比間接驅(qū)動，它能以顯著更低的激光能量實現(xiàn)點火。在直接驅(qū)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(yōu)勢明顯，該過程原理可參考圖 1 (b)。而間接驅(qū)動存在顯著缺陷：在激光能量轉(zhuǎn)化為 X 射線的過程中，大量能量會被損耗，這也是直接驅(qū)動被視為更優(yōu)路徑的關(guān)鍵原因。

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

其中，壓印現(xiàn)象的產(chǎn)生機制是：激光束中的尖峰結(jié)構(gòu)（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(xué)不穩(wěn)定性的 “種子”，為后續(xù)聚變過程埋下隱患。

LPIs 的產(chǎn)生則是由于激光穿過靶丸表面的膨脹物質(zhì)時，與等離子體波發(fā)生相互作用，這種相互作用會引發(fā)兩種負面效應(yīng) —— 一是使激光發(fā)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(yù)熱，而預(yù)熱會導(dǎo)致燃料更難被壓縮，直接影響聚變效果。

值得關(guān)注的是，新型激光技術(shù)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(xiàn)象。隨著下一代激光技術(shù)的出現(xiàn)，當(dāng)前已進入關(guān)鍵研究窗口期：學(xué)界需著手明確點火所需的靶丸參數(shù)要求，進而確定具備直接驅(qū)動點火能力的裝置的設(shè)計約束條件，為后續(xù)裝置研發(fā)奠定基礎(chǔ)。

在 ICF 設(shè)計領(lǐng)域，輻射流體動力學(xué)代碼是指導(dǎo)設(shè)計過程、推斷內(nèi)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(dāng)前存在關(guān)鍵技術(shù)瓶頸：現(xiàn)有代碼無法以足夠高的精度復(fù)現(xiàn)以往實驗結(jié)果，導(dǎo)致難以在廣泛的參數(shù)空間內(nèi)可靠預(yù)測內(nèi)爆性能。基于此，學(xué)界采用了多種策略來彌補這一缺陷 —— 通過結(jié)合模擬預(yù)測、實驗數(shù)據(jù)與專家知識，形成更全面的內(nèi)爆性能預(yù)測體系。

從設(shè)計方法來看，絕大多數(shù) ICF 內(nèi)爆設(shè)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(wěn)定性的影響，這使得設(shè)計結(jié)果與實際工況存在偏差。當(dāng)使用一維模擬進行內(nèi)爆設(shè)計時，“提升一維性能” 與 “增加流體不穩(wěn)定性敏感性” 之間存在不可避免的權(quán)衡關(guān)系，具體表現(xiàn)為兩個典型案例：其一，降低比壓（比壓是燃料熵的度量指標(biāo)）能在一維模擬中提升壓縮效果與聚變產(chǎn)額，但會顯著增加靶丸對瑞利 - 泰勒（RT）不穩(wěn)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(qū)動均勻性為代價。

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

在歷史研究中，學(xué)界曾通過一種統(tǒng)計模型實現(xiàn)靶丸性能的顯著提升：該模型將模擬與實驗結(jié)合，能在理解充分的參數(shù)空間內(nèi)做出可靠預(yù)測。但未來裝置性能預(yù)測面臨新挑戰(zhàn) —— 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(fēng)險：它要求物理過程按可預(yù)測的方式定標(biāo)，但從 ICF 研究歷史來看，物理過程的定標(biāo)往往不具備這種可預(yù)測性。因此，確保采用基于 “強物理” 的方法進行外推，是當(dāng)前預(yù)測未來裝置性能的最佳途徑，這一原則為后續(xù)設(shè)計方法的提出奠定了理論基礎(chǔ)。

ICF 內(nèi)爆設(shè)計的核心目標(biāo)是找到最優(yōu)輸入?yún)?shù)集以最大化性能 —— 這些參數(shù)包括靶丸尺寸、激光脈沖形狀、光斑尺寸等，它們能為中子產(chǎn)額等可測量量提供最優(yōu)值。同時，優(yōu)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(xué)元件）。為降低設(shè)計復(fù)雜度，科學(xué)家常以模擬結(jié)果替代實驗測量，例如用更簡單的一維模擬預(yù)測實驗中的聚變產(chǎn)額。模擬的顯著優(yōu)勢在于效率：幾小時內(nèi)可運行數(shù)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(diào)整以確保準(zhǔn)確性。

文中后續(xù)討論的兩種設(shè)計方法（穩(wěn)定性約束法與替代模型法），均以一維模擬的預(yù)測結(jié)果為基礎(chǔ)，這意味著需要額外增加設(shè)計約束，以應(yīng)對三維流體不穩(wěn)定性等會造成性能損壞的效應(yīng)。基于此，ICF 內(nèi)爆的整體設(shè)計過程可分為三步：第一步，利用實驗數(shù)據(jù)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(yōu)化問題；第二步，在相應(yīng)的設(shè)計約束范圍內(nèi)，通過一維模擬找到最優(yōu)內(nèi)爆設(shè)計；第三步，用更詳細的二維或三維模擬驗證設(shè)計的可行性。

上述兩種設(shè)計方法的核心差異在于：在近似過程中考慮三維效應(yīng)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(jù)具體問題的復(fù)雜性，選擇 “較好的局部最優(yōu)解” 而非 “全局最優(yōu)解”—— 這是因為全局最優(yōu)解的求解難度過高，且可能超出工程實現(xiàn)范圍。

穩(wěn)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(fù)雜三維效應(yīng)），再基于當(dāng)前實驗結(jié)果設(shè)定穩(wěn)定性限制，進而約束設(shè)計選項。該方法關(guān)注兩個核心穩(wěn)定性因素：

第一個因素是抗瑞利 - 泰勒（RT）不穩(wěn)定性能力，其約束條件由經(jīng)驗推導(dǎo)的穩(wěn)定性參數(shù)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(guān)。為保證 BM 增長穩(wěn)定性，需設(shè)定初始光束半徑與靶丸半徑之比為 0.95—— 這一參數(shù)在 OMEGA 實驗中已被驗證能提供良好的 BM 穩(wěn)定性。當(dāng)前研究存在數(shù)據(jù)缺口：尚無實驗數(shù)據(jù)能證明激光聚焦（即 “變焦”）的變化對性能的影響，因此在設(shè)計靶丸時，必須保留一定的產(chǎn)額冗余，以應(yīng)對潛在的變焦相關(guān)問題。

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

為找到最優(yōu)設(shè)計方案，學(xué)界采用簡單定標(biāo)關(guān)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(guān)聯(lián)，并為內(nèi)爆靶丸設(shè)定實現(xiàn)聚變所需的最小速度。

圖 2 展示了不同激光驅(qū)動器能量下，增益（能量輸出指標(biāo)）與 IFAR（內(nèi)爆對流體不穩(wěn)定性敏感性指標(biāo)）隨比壓變化的定標(biāo)關(guān)系，其中虛線標(biāo)記了由實驗推斷的流體動力學(xué)穩(wěn)定性閾值。

從定標(biāo)關(guān)系可得出關(guān)鍵結(jié)論：100 千焦激光能量的設(shè)計方案，其聚變穩(wěn)定性不足以支撐點火；200 千焦激光能量的設(shè)計方案雖具備穩(wěn)定性，但僅能產(chǎn)生低能量輸出；300 千焦激光能量的設(shè)計方案既能保證穩(wěn)定性，又能產(chǎn)生良好的能量輸出。基于這些結(jié)論，研究最終確定：250 千焦激光能量應(yīng)能為裝置提供安全的運行空間 —— 后續(xù)可通過一維模擬進一步優(yōu)化設(shè)計，再用更復(fù)雜的三維模擬測試其穩(wěn)定性，形成 “優(yōu)化 - 驗證” 的閉環(huán)。

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(yīng) —— 通過構(gòu)建 “替代模型” 實現(xiàn)這一目標(biāo)。該模型以知名模擬代碼（lilac）為基礎(chǔ)，但增加了額外計算模塊，專門用于估算三維不穩(wěn)定性的影響，從而彌補一維模擬的固有缺陷。

替代模型的訓(xùn)練過程具備嚴(yán)格的實驗關(guān)聯(lián)性：其訓(xùn)練數(shù)據(jù)來源于經(jīng)實驗結(jié)果調(diào)諧的三維模擬 —— 先通過調(diào)諧使三維模擬與實驗結(jié)果匹配，再用匹配后的模擬數(shù)據(jù)訓(xùn)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(yōu)勢是：研究人員可在設(shè)計中考慮焦斑變焦的影響，且無需將設(shè)計限制在 “最小內(nèi)爆速度” 這一單一條件內(nèi)，大大提升了設(shè)計靈活性。在本文研究中，團隊采用遺傳優(yōu)化算法，結(jié)合多次模擬迭代，最終找到最優(yōu)設(shè)計方案。

替代模型法存在多種變體，其差異主要體現(xiàn)在替代模型的形式與訓(xùn)練方式上，具體可分為三類：第一類，利用冪律或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等轉(zhuǎn)換函數(shù)，修改模擬輸出以匹配實驗結(jié)果；第二類，通過修改模擬輸入?yún)?shù)，使模擬結(jié)果與實驗匹配；第三類，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)替代模型，使其與經(jīng)實驗調(diào)諧的二維 / 三維模擬結(jié)果匹配 ，這些變體為不同場景下的設(shè)計提供了多樣化選擇。

兩種設(shè)計方法（穩(wěn)定性約束法與替代模型法）均采用統(tǒng)一的一維約束條件，這些約束是設(shè)計的基礎(chǔ)框架，具體包括：激光能量設(shè)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(tài) 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(shù) —— 在激光脈沖傳播中途減小激光焦斑尺寸。

此外，設(shè)計中還做了關(guān)鍵假設(shè)與限制：假設(shè)通過激光帶寬技術(shù)，已抑制跨光束能量轉(zhuǎn)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(xiàn)。

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

在設(shè)計優(yōu)化過程中，替代模型法（SM）的優(yōu)化依據(jù)是 OMEGA 實驗中觀察到的壓印與光束錯位水平 —— 確保設(shè)計能應(yīng)對實際實驗中存在的擾動。兩種方法的設(shè)計偏好存在顯著差異：穩(wěn)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(shè)計 —— 這類設(shè)計能高效地將能量耦合到熱斑，且無需聚集大量質(zhì)量。

這種設(shè)計偏好差異帶來的直接影響是：SM 設(shè)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(fā)的擾動更小。不過，未來裝置可通過技術(shù)改進優(yōu)化 SC 設(shè)計的可行性 —— 若設(shè)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(xiàn)更小激光焦斑的穩(wěn)定運行，從而讓 SC 設(shè)計更具實用價值。

采用多種設(shè)計方法的核心價值在于 “交叉驗證”：當(dāng)多種方法均證明某一設(shè)計具備穩(wěn)定性時，結(jié)果準(zhǔn)確性的置信度會顯著提升；若方法間存在預(yù)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(shè)計穩(wěn)定性特征所需的關(guān)鍵參數(shù)，包括燒蝕層類型、比壓、穩(wěn)定性參數(shù)、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(shù)據(jù)可得出關(guān)鍵結(jié)論：盡管未對 SM 設(shè)計施加明確的穩(wěn)定性約束，但 SM 設(shè)計仍滿足或接近滿足 SC 方法的穩(wěn)定性要求；不過，在所有設(shè)計中，僅有 SM1 能同時滿足穩(wěn)定性約束，且在替代模型中被預(yù)測可實現(xiàn)點火（增益 = 2.3）—— 這表明 SM1 是當(dāng)前最具潛力的設(shè)計方案。

文中討論的兩種設(shè)計方法，其核心目標(biāo)是 “加速 ICF 設(shè)計進程”—— 通過結(jié)合實驗測量信息的一維模擬解決優(yōu)化問題，在保證一定準(zhǔn)確性的前提下提升設(shè)計效率。無論采用哪種方法，“二維 / 三維模擬驗證” 都是設(shè)計流程中不可或缺的環(huán)節(jié)：需通過這類模擬驗證預(yù)測結(jié)果的可靠性，并確認設(shè)計的穩(wěn)定性，這是評估 ICF 靶丸及其穩(wěn)健性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖 4 展示了 SC1 設(shè)計在特定條件下的二維 draco 模擬結(jié)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(xiàn)了該設(shè)計的等離子體密度與溫度分布。從模擬結(jié)果可得出重要結(jié)論：若將靶室周圍的激光束數(shù)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(xù)裝置的光束排布設(shè)計提供了明確指導(dǎo)。

綜合全文研究，有三大核心結(jié)論：

（1）直接驅(qū)動 ICF 相比間接驅(qū)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(zhàn)；而激光帶寬增加等技術(shù)進步，已為解決這些挑戰(zhàn)提供了有效方案。

（2）ICF 內(nèi)爆設(shè)計的核心是 “平衡”—— 需在一維內(nèi)爆性能與流體動力學(xué)穩(wěn)定性之間找到最優(yōu)平衡點；當(dāng)前的設(shè)計方法通過 “一維模擬 + 統(tǒng)計映射 / 替代模型” 的組合，有效納入了三維不穩(wěn)定性的影響，確保在廣泛設(shè)計空間內(nèi)做出穩(wěn)健預(yù)測。

（3）未來激光裝置的設(shè)計需嚴(yán)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(wěn)健運行空間；通過先進光束排布與激光勻滑技術(shù)的進一步優(yōu)化，可提升設(shè)計穩(wěn)定性、抑制不穩(wěn)定性，為實現(xiàn)點火與高增益奠定基礎(chǔ)。