7月，美国能源部（DOE）科学办公室发布聚变能科学研讨会报告《惯性聚变能》^[1]，揭示了惯性聚变能特定科技领域和6个交叉领域的优先研究机遇，以指导惯性聚变能的未来研究工作。

一、惯性聚变能的发展和需求

聚变有潜力提供可靠、无限、安全和清洁的能源，使人类摆脱对碳氢化合物能源的依赖。开发聚变能是一项重大的科学技术挑战，需要采取多种方法和路径来最大限度提高成功的可能性。惯性聚变能是非常有前途的方法之一。

（1）第一个里程碑的实现。聚变能发展道路上的一个关键里程碑是在实验室示范氘-氚自我维持的燃烧等离子体。2021年8月，美国国家点火装置实现了1.3 兆焦的能量输出，该能量达到脉冲激光束给点火装置输入能量的70%，证明了实验室点火是可能的，在全世界首次实现所有聚变能方法的这一里程碑。

（2）第二个里程碑的实现。聚变能发展的下一个里程碑是实现相对于激光能量的能量增益（科学盈亏平衡）。2022年12月，美国国家点火装置实现了这一目标，向目标输入了2.05 兆焦的能量，产生了3.15 兆焦的聚变能量输出，能量增益达到153%，验证了实验室规模激光驱动惯性聚变能作为未来聚变能路径的基本科学可行性。

（3）私营部门对开发聚变能的兴趣迅速增长。过去十年中，用于聚变的私人资金激增，超过47亿美元，其中，过去两年中投入惯性聚变能的有1.8亿美元。

美国国家科学院在2013年的《惯性聚变能源前景评估》报告中指出，“点火实现时，就是在能源部建立全国性、协调一致、基础广泛的惯性聚变能计划的适当时机。”2021年和2022年国家点火装置的成果，加上近几年聚变能科学咨询委员会（FESAC）提出的关于建立惯性聚变能计划的建议，再加上国会的大力支持和大量私人资金催生的新兴聚变公司，使美国处于惯性聚变能研发的交汇点。

2022年6月，能源部召开了惯性聚变能基础研究需求研讨会，邀请了美国和国际的120名专家作为研讨会的12个小组的成员，致力于解决惯性聚变能的主要问题和确定每个研发领域的优先研究机遇。该研讨会形成了一份优先研究机遇清单，将作为未来研究工作的指导。

二、优先研究机遇

1、靶物理和点火

（1）能量耦合。实际的激光惯性聚变能方案，需要高聚变增益，因此，需要高效的激光耦合。然而，尽管在实现点火方面取得了进展，但在激光-靶耦合方面仍然存在重大挑战。特别是，限制激光等离子体不稳定性（LPI）的有害影响至关重要，因为LPI是所有激光驱动惯性聚变能方法的聚变性能的基本限制因素。

优先研究机遇：示范宽激光带宽的改进耦合；示范快点火的能量耦合；推进LPI的理论和建模，以增加对实验数据的理解，制定缓解策略，并提高LPI模拟的预测能力。

（2）压缩和燃烧。对于具有成本效益的惯性聚变能，目标增益估计为30~100，这取决于内爆压缩和驱动器的效率。此外，每次喷射必须燃烧10%~30%的燃料，这主要由燃料的面密度决定。然而，目前的驱动器和靶设计无法达到惯性聚变能所需的面密度。

优先研究机遇：研究低辐射内爆中限制燃料压缩的物理机制；探索故障缓解和性能优化策略；评估并提高靶在点火和增益方面的稳健性；实验评估内爆对各种靶和激光参数的敏感性；了解并量化高重复率对靶设计和性能的影响；制定指标以评估靶设计和内爆性能的进展。

（3）替代概念。惯性聚变能的模块化促进了先进概念的集成，有可能提高增益、稳健性和性能。这些概念包括可在现有设施中测试的概念，如成型驱动器（冲击点火），以及需要新设施或扩展以允许分离压缩和加热（快点火）的概念。然而，这些概念和更多的概念最终都需要新的设施，以能在惯性聚变能相关工艺和规模中测试其功能。

优先研究机遇：开发压缩堆芯外部短脉冲快点火的路径，以实现可分离压缩和点火的理论增益优势；示范点火规模下的快点火等容燃料组件；在冲击点火中大规模示范和改进激光能量耦合；控制/消除LPI；探索替代概念和先进燃料。

2、驱动器和靶技术

（1）驱动器技术。驱动器概念包括激光器、脉冲功率系统和重离子粒子束。惯性聚变能的研发应从解决驱动器和靶物理的系统级研究开始，以了解产生能量和输送能量方面的挑战。

优先研究机遇：进行惯性聚变能驱动器系统级架构概念设计研究；降低二极管泵浦固态激光器技术中二极管泵浦的成本；提高光学器件和晶体的损伤阈值；构建集成激光系统演示器；提高大功率开关和电容储能的可靠性；设计宽频带宽生成系统；设计并实现超高强度下最终光学器件的存活性；开发低成本、高性能的加速器模块。

（2）靶。目前的靶类型包括用于激光直接驱动、激光间接驱动、快点火、间接驱动重离子聚变和脉冲功率的靶。与惯性约束聚变相比，惯性聚变能必须能以更低的成本和更高的数量制造所有惯性聚变能靶。

优先研究机遇：示范球形胶囊或润湿泡沫胶囊的大批量制造技术；通过驱动器光束示范惯性聚变能靶的精确即时打击；为低温惯性聚变能靶开发靶注入器，使靶能在不损坏靶或其燃料层的情况下达到反应堆相关速度。

3、聚变电厂集成系统

（1）电力系统、科学、工程和技术。一个可行的惯性聚变能开发计划必须在早期包含一套系统级设计活动，包括3个关键的子系统，以及系统集成。①腔室，腔室材料的选择和部件制造将高度专业化，并进行广泛的部件评估和寿命测试。②集成腔室，其解决方案需要实现靶/驱动器输送，有效捕获和传输热能，抵抗损伤，培育足够的氚，清除残留的目标碎片，为下一个脉冲重置，并保持足够的寿命以持续多年运行。③公正、集成的系统模型和点设计框架，以了解技术开发优先级，评估权衡，并评估工厂级的性能特征。

优先研究机遇：当受到脉冲聚变相关光谱（中子、离子、中性粒子/碎片、X射线、热）的影响时，在宏观和微观层面上对惯性聚变能结构材料进行建模、实验验证；开发模型和实验数据，以了解透射和反射最终光学器件的损伤阈值，并开发解决方案，使其在聚变环境中具有足够的寿命；在等离子体物理界与燃料循环团队和燃烧室设计团队之间开发协同靶/燃料循环联合设计，以开发靶设计，确定对燃料循环影响最小的靶材料和加工方法，并减少库存；开发带有中子源的测试设施，以评估一揽子技术，并大规模测试燃料循环组件和系统（包括氚提取和运输）以及直接内部循环的潜力；进行一系列系统设计研究，以建立一套自洽的定量惯性聚变能发电厂模型，并利用这些模型指导研究、开发和示范计划。

4、交叉领域

（1）理论和模拟。改进预测是惯性聚变能的关键，需要改进物理模型和实现它们的算法，改进惯性聚变能相关极端条件下静态和运输材料特性的预测计算，需要提高对磁化惯性聚变能等离子体的预测能力。

优先研究机遇：①开发模拟和建模工具生态系统，通过集成内爆物理和靶物理代码，预测惯性聚变能相关靶设计的增益，包括：改进理论并开发模拟工具，以准确建模并控制惯性聚变能相关领域的LPI；开发能够模拟热等离子体和磁化等离子体中动力学效应的下一代计算工具；改进惯性聚变能相关极端条件下静态和运输材料特性的预测计算；改进磁场建模，以更好地预测磁化线性惯性聚变方法中的电流；在综合辐射流体动力学代码中对磁场进行详细的数值处理，包括非局部热量和 传输的模型，目的是确定能够降低驱动器能量和惯性聚变能相关增益效率的设计。②开发现代仿真工具，利用异构硬件加速实现可靠的惯性聚变能设计。

（2）人工智能和机器学习。人工智能和机器学习在发展惯性聚变能方面具有巨大潜力，但需要解决一些关键问题，包括：需要大量精心策划的数据来实现数据驱动的模型；需要自动化的数据分析来实现高重复率实验和最终的反应堆运行；需要改进预测能力来为所有惯性聚变能概念的路线图决策提供信息，并加快设计优化；需要增加惯性聚变能研究人员的人工智能和机器学习专业知识。

优先研究机遇：开发和使用基于HDF5等现代数据格式的通用互操作元数据标准，并使惯性聚变能界中所有公共、私人和学术参与者遵循可发现、可访问、可交互、可重用（FAIR）原则；开发或升级实验设施，以利用驱动器、靶、诊断以及人工智能和机器学习方面的进步，进行惯性聚变能相关的更高命中率实验；开发人工智能和机器学习技术，以自动化和改进数据处理和分析；开发和部署由人工智能和机器学习实现的自主、多尺度、多物理模拟；分配劳动力发展资金，以支持机器学习使能的高能量密度科学的发展，并帮助留住该领域的人才。

（3）测量创新。惯性聚变能需要专门的诊断研发，重点聚焦4个关键领域：需要将技术推向更高的分辨率，并构建多模态单实验诊断；需要开发与高重复率操作兼容的检测器，并结合基于机器学习的快速分析和诊断建模；电子捕获需要屏蔽和隔离才能保持功能，诊断本身的损坏需要监测、维修和更换；需要专门的诊断来监测任何对惯性聚变能具有独特挑战性的设施结构脆弱性。

优先研究机遇：利用和开发诊断来评估限制增益的因素，包括诊断哪些数量对推动内爆达到高增益至关重要，以及提高关键诊断的能量、空间和时间测量分辨率；为惯性聚变能研发具有变革性的高重复率诊断；开发对惯性聚变能发电厂至关重要的辐射强化诊断；使关键基础设施诊断适应惯性聚变能发电厂环境。

（4）科研基础设施。惯性聚变能界继续考虑惯性聚变能的多种驱动器技术以及靶内爆和点火模式，需要回答这样一个问题：什么样的具体基础设施才能最好地实现惯性聚变能？

优先研究机遇：增加现有大型设施的实验数量；利用和升级相关的现有中型设施；组建至少一个国家惯性聚变能团队或合作伙伴关系，重点关注现有设施的最佳利用，以及为开发未来基础设施而进行的持续研究和设计，以示范惯性聚变。

（5）公私合作伙伴关系。任何振兴的美国惯性聚变能计划都需要帮助惯性聚变能界发展互惠互利的公私伙伴关系。

优先研究机遇：能源部应促进公私合作伙伴的结构和计划，以适当利用公共部门的能力来加速惯性聚变能研发；应进一步识别并优先考虑为整个惯性聚变能界服务的基础性、竞争前研发领域；应考虑为私营部门或盟友政府主导的设施的建设、改造或运营提供联合资金和合作伙伴关系；公共部门应继续与私营部门合作，以提高人们对互利伙伴关系的认识和机会；能源部和公共部门应与美国和国际私营企业合作，考虑劳动力交换和轮换计划。

（6）劳动力发展。惯性聚变能的大多数研发需求都需要一支具有独特技能、知识和能力的劳动力队伍。

优先研究机遇：预计惯性聚变能劳动力可能增长，能源部聚变能科学办公室应密切监测领域发展状况，以确定启动劳动力发展研究的正确时间；任何未来的惯性聚变能劳动力发展行动计划都应与既定的DOE计划相协调，以促进多样性、公平性、包容性和可及性。     （黄龙光）