美国聚变初创公司Inertia近日公布最新模拟结果。公司与劳伦斯利弗莫尔国家实验室合作，利用经过美国国家点火装置点火实验验证的高保真聚变模拟程序，对其激光间接驱动商业聚变靶丸设计开展“虚拟实验”。结果显示，在10 MJ激光能量驱动下，Inertia基准设计可产生约260 MJ聚变能量，实现约26倍靶增益；进一步优化后，模拟增益最高可达约43倍。
Inertia的技术路线建立在NIF已经验证的激光间接驱动聚变基础上。该方案利用激光照射金属腔体产生X射线，再通过X射线压缩中心的氘氚燃料靶丸。与NIF相比，Inertia计划采用更大的靶丸和更高能量的激光驱动，以获得更高聚变输出。
NIF已经实现聚变点火和靶增益，但商业聚变电站需要进一步解决高增益、高重复频率以及靶丸制造一致性等问题。Inertia此次模拟的重点，正是验证经过实验验证的点火物理能否扩展到商业电站所需规模。
公司设计采用10 MJ激光驱动器，并计划以10 Hz频率运行，即每秒进行10次聚变实验。同时，Inertia对燃料层粗糙度、靶丸注入位置偏差、激光指向误差以及靶丸制造缺陷等商业运行中的非理想因素进行了模拟。结果显示，在这些条件下，其放大的靶丸仍能够保持点火并实现较高增益。
Inertia表示，基准设计可产生约260 MJ聚变能量。按照10 Hz运行频率和12%的激光效率计算，公司估算系统可实现约290 MWe净电力；若激光效率达到15%，对应约450 MWe。进一步按照约43倍靶增益计算，理论净输出可达到约1.05 GWe；在15%激光效率下约为1.3 GWe。
需要注意的是，上述数据均为基于模拟条件的设计预测，并非已经实现的实际发电能力。
不同聚变能技术路线的实测劳逊三乘积随离子温度的变化关系，与典型点火边界（曲线）的对比结果
依托LLNL为NIF点火实验开发的同款设计代码框架，通过“虚拟打靶”得到的惯性约束聚变设计模拟增益结果（紫色阴影区，为针对10 MJ商用靶设计完成的辐射流体力学集成仿真）。图中同时展示了NIF历史实验区间（蓝色区域）、点火边界线，以及商用聚变发电厂运行中因性能衰减导致点火悬崖发生偏移的典型示例。与NIF装置相比，该惯性约束聚变方案通过放大靶体与燃料质量、搭配更高的激光驱动能量，并开展针对性优化，在物理机理高度明确的参数区间内实现了更高的能量增益。我们还特意将工作点设置为远离点火悬崖的位置，为实现高聚变增益预留了充足安全裕度。
Inertia此次工作的另一重点，是推动聚变靶丸从高精度实验室制造走向商业化规模生产。商业电站若按照10 Hz运行，每天需要处理约86万枚靶丸，因此制造成本、生产速度和质量一致性将成为决定经济性的关键因素。
此次模拟依托Inertia与LLNL的战略合作，使用的高保真模型源自NIF点火实验所采用的聚变设计代码。Inertia希望在保留NIF已验证物理基础的同时，通过靶丸放大、激光系统优化以及制造工艺调整，建立适用于商业聚变电站的设计方案。
参考资料：
1.https://inertia.com/press/models-confirm-fuel-target-design
2.https://inertia.com/