实验室环境下点火目标的实现，重新激发了学界对未来高增益惯性约束聚变（ICF）装置需求定义的关注，这是开展后续研究的核心出发点。当前的点火实验均依赖间接驱动方式，具体而言，激光能量首先通过照射靶丸周围黑腔的内壁，转化为 X 射线，以此驱动靶丸聚变，该过程的原理可参考图 1 (a)。

与之相对，直接驱动 ICF 提供了一条更具前景的点火替代路径 —— 相比间接驱动，它能以显著更低的激光能量实现点火。在直接驱动聚变中，激光直接照射聚变靶丸，几乎能将全部能量耦合到燃料，其能量利用效率优势明显，该过程原理可参考图 1 (b)。而间接驱动存在显著缺陷：在激光能量转化为 X 射线的过程中，大量能量会被损耗，这也是直接驱动被视为更优路径的关键原因。

不过，要充分发挥直接驱动的潜力，必须先克服两个导致其性能退化的核心问题：压印与激光 - 等离子体不稳定性（LPIs）。

其中，压印现象的产生机制是：激光束中的尖峰结构（即激光散斑）会在靶丸表面形成不必要的三维不均匀性，这些不均匀性会成为流体动力学不稳定性的 “种子”，为后续聚变过程埋下隐患。

LPIs 的产生则是由于激光穿过靶丸表面的膨胀物质时，与等离子体波发生相互作用，这种相互作用会引发两种负面效应 —— 一是使激光发生散射并偏离靶丸，降低激光与靶丸的耦合效率，二是会加速少量电子至足够高的能量，这些高能电子能穿透靶丸深处，对燃料进行预热，而预热会导致燃料更难被压缩，直接影响聚变效果。

值得关注的是，新型激光技术为解决上述两个问题提供了有效方案 —— 通过增大激光带宽（即激光光波长的范围），既能抑制 LPIs，又能更有效地平滑压印现象。随着下一代激光技术的出现，当前已进入关键研究窗口期：学界需着手明确点火所需的靶丸参数要求，进而确定具备直接驱动点火能力的装置的设计约束条件，为后续装置研发奠定基础。

在 ICF 设计领域，辐射流体动力学代码是指导设计过程、推断内爆退化机制的核心工具，整个 ICF 研究社群对其依赖度极高。但当前存在关键技术瓶颈：现有代码无法以足够高的精度复现以往实验结果，导致难以在广泛的参数空间内可靠预测内爆性能。基于此，学界采用了多种策略来弥补这一缺陷 —— 通过结合模拟预测、实验数据与专家知识，形成更全面的内爆性能预测体系。

从设计方法来看，绝大多数 ICF 内爆设计采用一维（1D）模拟，但该模拟存在固有局限：它无法考虑三维流体不稳定性的影响，这使得设计结果与实际工况存在偏差。当使用一维模拟进行内爆设计时，“提升一维性能” 与 “增加流体不稳定性敏感性” 之间存在不可避免的权衡关系，具体表现为两个典型案例：其一，降低比压（比压是燃料熵的度量指标）能在一维模拟中提升压缩效果与聚变产额，但会显著增加靶丸对瑞利 - 泰勒（RT）不稳定性增长的敏感性；其二，减小激光光斑尺寸能增加靶丸吸收的激光能量，但会以牺牲激光驱动均匀性为代价。

为量化靶丸对激光光斑尺寸的敏感性，学界常用光束半径与靶丸半径之比（Rb/Rt）作为表征参数。此外，若要在数百千焦激光能量下实现靶丸点火，必须采用焦斑变焦技术 —— 即在靶丸会聚过程中减小激光光斑尺寸，但该技术会加剧小激光光斑带来的问题（如驱动均匀性下降），进一步增加设计难度。

在历史研究中，学界曾通过一种统计模型实现靶丸性能的显著提升：该模型将模拟与实验结合，能在理解充分的参数空间内做出可靠预测。但未来装置性能预测面临新挑战 —— 需要将模型外推到理解尚不充分的实验条件，而这类外推存在固有风险：它要求物理过程按可预测的方式定标，但从 ICF 研究历史来看，物理过程的定标往往不具备这种可预测性。因此，确保采用基于 “强物理” 的方法进行外推，是当前预测未来装置性能的最佳途径，这一原则为后续设计方法的提出奠定了理论基础。

ICF 内爆设计的核心目标是找到最优输入参数集以最大化性能 —— 这些参数包括靶丸尺寸、激光脉冲形状、光斑尺寸等，它们能为中子产额等可测量量提供最优值。同时，优化过程必须考虑工程约束，例如激光强度上限（需避免损坏光学元件）。为降低设计复杂度，科学家常以模拟结果替代实验测量，例如用更简单的一维模拟预测实验中的聚变产额。模拟的显著优势在于效率：几小时内可运行数千次，而实验一整天通常只能测试少量靶丸；但一维模拟的缺陷同样突出 —— 它无法完全捕捉真实物理过程，因此必须进行额外调整以确保准确性。

文中后续讨论的两种设计方法（稳定性约束法与替代模型法），均以一维模拟的预测结果为基础，这意味着需要额外增加设计约束，以应对三维流体不稳定性等会造成性能损坏的效应。基于此，ICF 内爆的整体设计过程可分为三步：第一步，利用实验数据与先进的二维 / 三维模拟，以一维模拟为替代工具，定义简化的优化问题；第二步，在相应的设计约束范围内，通过一维模拟找到最优内爆设计；第三步，用更详细的二维或三维模拟验证设计的可行性。

上述两种设计方法的核心差异在于：在近似过程中考虑三维效应的方式不同。即便一维模拟具备计算高效性，研究人员也常根据具体问题的复杂性，选择 “较好的局部最优解” 而非 “全局最优解”—— 这是因为全局最优解的求解难度过高，且可能超出工程实现范围。

稳定性约束法的核心逻辑是：先利用简单物理原理理解靶丸性能（不考虑复杂三维效应），再基于当前实验结果设定稳定性限制，进而约束设计选项。该方法关注两个核心稳定性因素：

第一个因素是抗瑞利 - 泰勒（RT）不稳定性能力，其约束条件由经验推导的稳定性参数决定 —— 需满足I_α=6α^1.1/IFAR>1。其中，α代表比压，IFAR（飞行中纵横比）的定义为：在会聚比为 1.5 时，靶丸半径与靶丸厚度的比值。

第二个因素是抗光束模式（BM）增长能力，该能力与激光加热靶丸的均匀性直接相关。为保证 BM 增长稳定性，需设定初始光束半径与靶丸半径之比为 0.95—— 这一参数在 OMEGA 实验中已被验证能提供良好的 BM 稳定性。当前研究存在数据缺口：尚无实验数据能证明激光聚焦（即 “变焦”）的变化对性能的影响，因此在设计靶丸时，必须保留一定的产额冗余，以应对潜在的变焦相关问题。

从参数权衡关系来看，低比压内爆的优势是压缩性提升，但代价是 RT 不稳定性增长更显著；低 IFAR 内爆（即靶丸壳层更厚）的优势则是对流体不稳定性的敏感性更低，这些权衡关系是设计过程中必须考量的核心矛盾。

为找到最优设计方案，学界采用简单定标关系描述靶丸性能、形状与激光能量、压力、靶丸压缩等因素的关联，并为内爆靶丸设定实现聚变所需的最小速度。

图 2 展示了不同激光驱动器能量下，增益（能量输出指标）与 IFAR（内爆对流体不稳定性敏感性指标）随比压变化的定标关系，其中虚线标记了由实验推断的流体动力学稳定性阈值。

从定标关系可得出关键结论：100 千焦激光能量的设计方案，其聚变稳定性不足以支撑点火；200 千焦激光能量的设计方案虽具备稳定性，但仅能产生低能量输出；300 千焦激光能量的设计方案既能保证稳定性，又能产生良好的能量输出。基于这些结论，研究最终确定：250 千焦激光能量应能为装置提供安全的运行空间 —— 后续可通过一维模拟进一步优化设计，再用更复杂的三维模拟测试其稳定性，形成 “优化 - 验证” 的闭环。

替代模型法的核心功能是：在更简单的一维模拟中纳入三维效应 —— 通过构建 “替代模型” 实现这一目标。该模型以知名模拟代码（lilac）为基础，但增加了额外计算模块，专门用于估算三维不稳定性的影响，从而弥补一维模拟的固有缺陷。

替代模型的训练过程具备严格的实验关联性：其训练数据来源于经实验结果调谐的三维模拟 —— 先通过调谐使三维模拟与实验结果匹配，再用匹配后的模拟数据训练替代模型，确保模型能反映真实物理过程。这种方法的显著优势是：研究人员可在设计中考虑焦斑变焦的影响，且无需将设计限制在 “最小内爆速度” 这一单一条件内，大大提升了设计灵活性。在本文研究中，团队采用遗传优化算法，结合多次模拟迭代，最终找到最优设计方案。

替代模型法存在多种变体，其差异主要体现在替代模型的形式与训练方式上，具体可分为三类：第一类，利用幂律或神经网络等转换函数，修改模拟输出以匹配实验结果；第二类，通过修改模拟输入参数，使模拟结果与实验匹配；第三类，训练神经网络替代模型，使其与经实验调谐的二维 / 三维模拟结果匹配 ，这些变体为不同场景下的设计提供了多样化选择。

两种设计方法（稳定性约束法与替代模型法）均采用统一的一维约束条件，这些约束是设计的基础框架，具体包括：激光能量设定为 250 千焦；靶丸为充有氘氚（DT）气体的舱体，且包含 DT 冰层，烧蚀层有两种选择 —— 浸有液态 DT 的塑料泡沫，或氘化塑料；激光脉冲形状为 “单尖峰 - 平台期 - 平滑上升至恒定峰值功率” 的组合形式；采用单级变焦技术 —— 在激光脉冲传播中途减小激光焦斑尺寸。

此外，设计中还做了关键假设与限制：假设通过激光带宽技术，已抑制跨光束能量转移等 LPIs；同时，将激光强度限制在1.2×10¹⁵ W/cm²—— 因为更高的强度可能需要超出实际可行范围的激光带宽，无法在工程上实现。

基于上述约束，两种方法各设计了两类内爆方案：一类采用浸泡沫烧蚀层（稳定性约束法对应 SC1、替代模型法对应 SM1），另一类采用塑料烧蚀层（稳定性约束法对应 SC2、替代模型法对应 SM2），各方案的靶丸设计与对应脉冲形状可参考图 3。

在设计优化过程中，替代模型法（SM）的优化依据是 OMEGA 实验中观察到的压印与光束错位水平 —— 确保设计能应对实际实验中存在的扰动。两种方法的设计偏好存在显著差异：稳定性约束法（SC）通常得到 “更小、低比压” 的靶丸，这类靶丸的热斑更小、壳层更大；而替代模型法（SM）更倾向于 “高比压、高纵横比” 的设计 —— 这类设计能高效地将能量耦合到热斑，且无需聚集大量质量。

这种设计偏好差异带来的直接影响是：SM 设计因能更高效利用激光能量，无需采用强烈的焦斑变焦，因此由光束模式与错位引发的扰动更小。不过，未来装置可通过技术改进优化 SC 设计的可行性 —— 若设计中采用更多激光束的对称排布与更平滑的光束，就能实现更小激光焦斑的稳定运行，从而让 SC 设计更具实用价值。

采用多种设计方法的核心价值在于 “交叉验证”：当多种方法均证明某一设计具备稳定性时，结果准确性的置信度会显著提升；若方法间存在预测分歧，则需开展进一步研究排查原因。

表 1 列出了评估各设计稳定性特征所需的关键参数，包括烧蚀层类型、比压、稳定性参数、最小激光光斑与靶丸尺寸比、不同扰动下的增益、一维增益等。

从表 1 数据可得出关键结论：尽管未对 SM 设计施加明确的稳定性约束，但 SM 设计仍满足或接近满足 SC 方法的稳定性要求；不过，在所有设计中，仅有 SM1 能同时满足稳定性约束，且在替代模型中被预测可实现点火（增益 = 2.3）—— 这表明 SM1 是当前最具潜力的设计方案。

文中讨论的两种设计方法，其核心目标是 “加速 ICF 设计进程”—— 通过结合实验测量信息的一维模拟解决优化问题，在保证一定准确性的前提下提升设计效率。无论采用哪种方法，“二维 / 三维模拟验证” 都是设计流程中不可或缺的环节：需通过这类模拟验证预测结果的可靠性，并确认设计的稳定性，这是评估 ICF 靶丸及其稳健性的关键数据支撑。

图 4 展示了 SC1 设计在特定条件下的二维 draco 模拟结果 —— 条件为 “聚变峰值时刻（bang time）、名义 RT 种子水平、无光束错位”，模拟呈现了该设计的等离子体密度与温度分布。从模拟结果可得出重要结论：若将靶室周围的激光束数量从 60 增加到 108，靶丸的对称性会提升至 “增益 > 1” 的水平 —— 这为后续装置的光束排布设计提供了明确指导。

综合全文研究，有三大核心结论：

（1）直接驱动 ICF 相比间接驱动，是更具前景的点火路径 —— 其所需激光能量更低，但需攻克压印与 LPIs 两大挑战；而激光带宽增加等技术进步，已为解决这些挑战提供了有效方案。

（2）ICF 内爆设计的核心是 “平衡”—— 需在一维内爆性能与流体动力学稳定性之间找到最优平衡点；当前的设计方法通过 “一维模拟 + 统计映射 / 替代模型” 的组合，有效纳入了三维不稳定性的影响，确保在广泛设计空间内做出稳健预测。

（3）未来激光装置的设计需严格遵循约束条件 ——250 千焦激光能量的靶丸被确定为潜在的稳健运行空间；通过先进光束排布与激光匀滑技术的进一步优化，可提升设计稳定性、抑制不稳定性，为实现点火与高增益奠定基础。