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重イオン核融合は、粒子加速器から放出される高エネルギーイオンの流れを用いて、小さな核融合燃料ペレットを急速に加熱・圧縮する核融合エネルギーの概念である。これは、より大規模な慣性閉じ込め核融合（ICF）方式のサブクラスであり、従来用いられてきたレーザーシステムを加速器に置き換えたものである。
加速器は、燃料ペレットへのエネルギー供給において、はるかに高い効率性を発揮する可能性を秘めています。一般的なレーザー式加速器の総合効率は1%程度であるのに対し、重イオン加速器は30%以上の効率を目指しています。さらに、加速器は1秒間に何度もエネルギーパルスを生成できるのに対し、既存の高エネルギーレーザーシステムでは「ショット」の間に長い冷却期間が必要となります。これらの利点は、運用コストを大幅に削減し、レーザーシステムと比較してプラント建設コストもいくらか低減できるため、商業用途において非常に有用です。
光子ビームを粒子ビームに置き換えるという基本的な概念は、1970年以前にも電子または陽子を用いて何度か提案されていた。電子または陽子のパルス加速によるビームの集束距離と停止距離には根本的な限界があり、その結果、原子番号が大きい重イオンを用いるという概念が生まれた。重イオンは核融合標的物質中でより速やかに停止するため、同じ停止距離で電子や陽子の数千倍もの速度で核融合を進行させることができる。
各イオンのエネルギーが高いということは、同じビーム出力レベルでもより少ない電流で済むことを意味します。従来の加速器ビームは小さなスポットに集束されます。例えば、CERNの大型ハドロン衝突型加速器は、当初は250nmの焦点スポット半径でビームを正面から照射していましたが、通常の運転ではそれよりもはるかに優れた性能を実現しています。
高エネルギーイオンは、空間電荷力に対処するために低電荷状態である必要がある。一価イオンが強く好まれる。これらのイオンは高い剛性を持ち、適度な真空下では容易に散乱しないため、高品質のビームを慣性核融合反応チャンバー内の小さな半径のスポットに集束させることができる。
1976年の主要会議をきっかけに、この概念は1970年代後半から1980年代初頭にかけて急速に普及した。1970年代後半には、重イオン核融合（HIF）は、実用的な核融合炉への「保守的なアプローチ」として位置づけられていた。1970年代初頭には、慣性核融合チャンバーを用いることで、重水素・三重水素反応による高エネルギー中性子によるチャンバー材料の損傷を回避できることが、決定的な研究によって示された。
ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）は、8年間にわたるHYLIFE研究（1977～1985年）により、注入されたリチウムによる中性子遮蔽効果のおかげで、慣性核融合炉は「一般的な鋼材」で製造できることを確認した。HYLIFEの非常に望ましい結論は、各ペレットが1トンの高性能爆薬に相当する4ギガジュール以上のエネルギーを生み出すことであった。
1980年代後半から1990年代初頭にかけてLLNLのNOVAレーザーで行われた実験結果は、レーザーではそのような大きなエネルギー放出を点火できないことを示していた。リバモア研究所は、より小さな核融合収率とより高い繰り返し周波数で動作するために、厚い液体の壁を作る革新的なジェットパターンを考案し、1992年から1994年にかけてのHYLIFE-II設計で純粋なリチウムの代わりにFLIBEを使用することで、HYLIFEのクリーンな設計を覆した[引用]。
それ以来、継続的な関心にもかかわらず、この手法を用いた大規模な実験装置は建設されていない。必要なエネルギーを持つ加速器は数キロメートル規模の大型でしか建設できないという欠点があり、低コストのシステムで試験することが難しい。対照的に、小型レーザーでも所望の条件を達成できるため、ICFアプローチではレーザーが依然として注目されている。
イオン加速器システムの設計に対する信頼性は、これまで数々の事例で実証されてきた。大型の新型装置では、革新的な技術を用いて性能パラメータを10倍に向上させてきた。そのため、産業用および研究用加速器システムにおいて、新たなアイデアを実用化に導いた実績に基づき、大型の新型装置を構築することが可能となっている。
核融合は、原子が接近し、核力がそれらを引き寄せて単一のより大きな原子核を形成するときに起こります。このプロセスに抵抗するのは、原子核の正電荷であり、静電気力によって互いに反発します。核融合が起こるためには、原子核はこのクーロン障壁を乗り越えるのに十分なエネルギーを持っていなければなりません。正電荷が少ない原子、つまり陽子の数が最も少ない原子では、障壁は低くなります。核力は、陽子と中性子の総数である核子が増えるにつれて増加します。これは、重水素と三重水素の組み合わせが、1個の陽子と1個または2個の中性子を含むため、約100 keVで最も低いクーロン障壁を持つことを意味します（核融合の要件を参照）。[ 1 ]
燃料が高エネルギーに加熱されると、電子が原子核から分離し、個々のイオンと電子がガス状のプラズマに混ざり合います。ガス中の粒子は、マクスウェル・ボルツマン分布として知られる広範囲のエネルギーに分布しています。任意の温度では、粒子の大部分は低エネルギーにあり、より高エネルギーの粒子が少数存在する「長い裾 」があります。したがって、100 keV の閾値は 10 億度を超える温度を表しますが、核融合反応を起こすために燃料全体をこの温度まで加熱する必要はありません。混合された高エネルギー粒子の数が少ないため、より低い全体温度でも反応が起こります。[ 1 ]
核融合反応は大量のエネルギーを放出し、そのエネルギーの一部は燃料に蓄えられ、燃料を加熱します。反応速度、ひいては燃料に蓄えられるエネルギーが、放出される粒子や放射線による環境への損失と釣り合う臨界温度が存在します。この時点で反応は自己持続的になり、点火と呼ばれます。DT燃料の場合、自己加熱は主にアルファ粒子によるもので、対応する温度は5000万度から1億 度です 。核融合の全体的な速度は、温度、密度、エネルギー閉じ込め時間の組み合わせに依存し、これは核融合三重積として知られています。[ 1 ]
核融合エネルギー問題には主に2つのアプローチが開発されてきた。最も広く研究されているアプローチは磁気閉じ込めである。プラズマは電気的に帯電しているため、磁力線に沿って移動する。適切な磁場配置により、燃料を容器の壁から遠ざけることができる。その後、燃料は長時間加熱される。磁石を使用して可能な密度では、核融合プロセスはかなり遅いため、このアプローチでは数十秒程度の長い閉じ込め時間が必要となる。このような時間スケールで数百万度のガスを閉じ込めることは困難であることが証明されているが、最新の実験装置は正味出力生産、つまり損益分岐点に必要な条件に近づいている。[ 1 ]
2つ目の主要なアプローチは慣性閉じ込めです。核融合反応で発生したアルファ粒子は、燃料の密度に応じて一定の距離を移動します。磁気炉の低密度（しばしば「良好な真空」と表現される）では、この距離は数メートル程度になることもありますが[ a ]、非常に高密度になると、この距離は大幅に短縮され、数ミクロン程度になります。慣性アプローチでは、この効果を利用して燃料を極めて高密度に圧縮し、ミリグラム程度のごく少量の燃料で点火できるようにします。さらに、崩壊によって断熱過程を経て燃料の温度が上昇し、三重生成物の3つの入力のうち2つが得られます。[ 1 ]
これらの条件を長時間維持しようとする試みはなく、燃料は駆動パルスが終了するとすぐに外側に爆発し、粒子の慣性によってのみ減速される。閉じ込め時間はマイクロ秒オーダーであるため、燃料の相当量が核融合を起こすには、温度と密度が非常に高くなければならない。このアプローチは核融合反応の生成に成功しているが、現在までに圧縮を行うことができる装置（通常はレーザー）は、反応によって生成されるエネルギーよりもはるかに多くのエネルギーを必要とする。[ 1 ]
ICFプロセスには2つの独立した効果があります。1つはアルファ線を燃料内に捕捉するために燃料を圧縮すること、もう1つは反応を開始するために必要な温度まで燃料を加熱することです。アルファ線を効率的に捕捉するには、水の約1000倍の密度が望まれます[ b ]。そのためには、ターゲット質量1グラムあたり約10⁷ジュール（J/g）のビームエネルギーが必要です。一方、燃料を核融合温度まで加熱するには、約10⁹ J /gのエネルギーが必要です。このため、燃料を個別に加熱する方法が研究されてきました。一般的な解決策は、エネルギー供給を整形して短時間だけ高エネルギー状態を作り出し、圧縮中の燃料に伝わる衝撃波を発生させることです。これは「ホットスポット点火」として知られています。[ 2 ]
これまでのICFシステムのほとんどは、「駆動装置」としてレーザーを使用してきた。レーザーを燃料ターゲットに直接照射する単純なケース（「直接駆動」と呼ばれる）では、レーザーによって発生した熱により、プラスチックカプセルの外層が外側に爆発する。ニュートンの第三法則により、これによりカプセルの内部が内側に押し込まれる。直接駆動は、集束と照射時間に非常に厳しい制約があり、実現が難しい。このため、ほとんどの大型ICF装置は「間接駆動」プロセスを使用している。このプロセスでは、駆動装置が「ホールラウム」と呼ばれる金属シリンダーを非常に高温に加熱し、X線を放出し始め、そのX線が内部に吊り下げられたカプセルに照射される。これにより、加熱プロセスをより長い期間にわたって行うことができ、集束をそれほど厳密に行う必要がなくなるが、元のビームエネルギーの大部分がシリンダーの加熱に使用され、爆縮に寄与しないという欠点がある。[ 3 ]
必要なエネルギーレベルとタイミングでパルスを供給することは、大きな課題です。現在まで、エネルギー要件は通常、全体的な効率が約 1% の複雑なネオジム添加リン酸ガラスレーザーを使用して満たされてきました。ビームを集束および制御するために必要な光学システムにより、さらに 50% のエネルギーが失われ、間接駆動の場合、残りのエネルギーのかなりの部分が金属シリンダーの加熱によって失われます。現在までに最大かつ最も強力な ICF システムである国立点火施設では、元の 4 MJ のレーザーエネルギーのうち、ターゲットに到達するのは約 10 ～ 14 kJだけであり、生成には422 MJ の電力が必要でした[ 4 ] 。
核融合反応がレーザーの元のエネルギーに見合うだけのエネルギーを生成するには、少なくとも 4 MJ のエネルギーを生成する必要があり、実際的な理由から、少なくともその 3 倍のエネルギーを生成する必要があり、入力レーザーエネルギーと出力核融合エネルギーの比[ c ]またはゲインは、数百または数千のオーダーでなければなりません。現在までに、NIF での記録は、 2 MJ のレーザー出力から 1.3 MJ の核融合エネルギー[ 5 ] 、 422 MJ の電力から得られたものであり、現在の方式が発電に利用できる可能性は極めて低いと考えられます。[ 6 ]
1963年、フリードヴァルト・ヴィンターベルクは 、約200 km/sまで加速された少数の粒子群を用いて核融合を点火するという概念を提唱した。この概念は現在、クラスター衝突核融合として知られている。この概念は、加速された粒子が直接核融合を起こすことを目的としており、ICFの概念のように駆動装置としてのみ使用されるわけではないため、現代のICFとは類似していない。1960年代後半にICF関連の論文がいくつか発表されたことを受け、ヴィンターベルクは1968年に、ICF構成におけるレーザーシステムの代わりに加速された電子またはイオンを使用することを概説した論文を発表した。[ 7 ]
ブルックヘブン国立研究所の交互勾配シンクロトロン(AGS)で働いていたアル・マシュケは、AGS のような陽子シンクロトロンを ICF ドライバーの基礎として使用することを提案した。これにより、比較的わずかなアップグレードで必要なエネルギーが得られる可能性がある。しかし、その後の研究でこのアプローチには問題があることが明らかになった。同種電荷の反発によりビームが過度に発散し、ICF に必要な強度を得ることが困難になる。[ d ]さらに、陽子は燃料ターゲット内で異なる深さで停止するため、爆縮ダイナミクスを制御することが困難になる。[ 3 ] [ 8 ]これらの問題の両方から、マシュケは 1975 年頃に陽子からセシウム、キセノン、水銀、鉛などのより重いイオンに切り替えることを提案した。[ 9 ] [ 8 ] 1976 年初頭、デニス・キーフは線形誘導加速器がこの目的に適していると提案した。[ 10 ]
HIFの歴史における重要な出来事は、1976年7月にカリフォルニア州バークレーのクレアモントホテルで2週間にわたって開催された会議で、主要な粒子加速器研究所や核融合研究所、大学から約50名の参加者がマシュケのアイデアを検討した。会議の報告では、危険信号となる問題はなく、その概念の可能性からより詳細な研究が必要であることが示された。[ 11 ]この結果、1977年にブルックヘブン、1978年にアルゴンヌ、1979年にオークランドでいくつかの追跡調査が行われ、[ 3 ] [ e ]いずれも同様に有望な結果が得られた。1979年5月にICF分野全体をレビューしたジョン・S・フォスター・ジュニアは、「保守的なアプローチを取りたいのであれば」、HIFがICF核融合炉にとって最良の選択肢であると結論付けた。[ 12 ]
さらなる交渉の末、1983年にエネルギー省はついに、これらの取り組みを管理する公式組織である重イオン核融合加速器研究プログラム（HIFAR）を設立するための資金提供を説得された。次の10年間、ローレンス・バークレーのHIFARグループは、ローレンス・リバモアや他の場所の同様のグループとともに、基本概念の研究を続けた。研究は次の10年間続き、HYLIFEとHYLIFE-IIという2つの完全な発電所設計案が提案された。[ 13 ]
同時期に、ICFに対する古典的なレーザーベースのアプローチは、一連の重大な挫折に見舞われた。これらの設計の予測性能の多くは、LASNEXなどのプログラムを使用したコンピュータシミュレーションに基づいていた。初期のシミュレーションでは、10 kJ程度の比較的低いビームエネルギーでもある程度の核融合利得が期待できることが示唆されていたが、この予測がShiva システムでテストされたとき、多くの予期せぬ問題により性能が約10,000分の1に劇的に低下した。LASNEXの更新では、数百kJの出力を持つより大きなシステムであれば可能だと示唆されたが、この規模で構築された結果としてのNovaシステムは、また別の重大な問題群を示し、再び予測を満たせなかった。[ 14 ]
Halite/Centurion計画の一環として、レーザーの代わりに核兵器を駆動源として用いた実験では、おそらく 100 MJ にも達する、劇的に高いエネルギーが必要であることが示唆された。これは、いかなるレーザーシステムの能力をもはるかに超えるものである。ターゲットの形状やエネルギーパルスのタイミングに関する様々な進歩があったとしても、最良のシナリオでも少なくとも 2 MJ が必要となる。[ 14 ]これにはレーザーを駆動するために約 200 MJ の電力が必要となるため、すべての損失メカニズムを無視したとしても、エネルギーのバランスを取るにはQ = 100 程度の核融合利得が必要となる。 [ 15 ]
この一連の出来事により、HIFへの関心が再び高まった。駆動効率がはるかに高かったため、必要なゲインはそれに応じて低く、Q = 10程度であった。ゲインが低いということは、爆縮ダイナミクスがはるかに要求が少なく、爆発の威力も小さくなり、より小型の装置に収めることができた。1990年代後半以降、このテーマに関する論文が世界中の研究所からほぼ途切れることなく発表され続けており、適切な加速器を用いた小規模な実験もいくつか行われている。[ 16 ] [ 17 ]
HIF方式における実際的な問題は、適切なエネルギーとタイミングを実現するためには、加速器を大型化する必要があるという点です。対称的な効果を得るためには、ほとんどのイオンが標的のほぼ同じ位置で停止することが望ましいでしょう。そのためには、イオンのエネルギーを非常に精密に制御する必要があります。一般的に使用される鉛イオンの場合、標的に十分なエネルギーを与え つつ、平均1mmの距離で停止させるには、約8GeVのエネルギーが必要です 。鉛イオンにこのレベルのエネルギーを与えることができる加速器は、たとえイオン数が少なくても、小型でも安価でもないため、小型装置で製造するのは困難です。
対照的に、必要な性能を持つレーザーは、事実上あらゆる規模で構築できる。[ 15 ]これがHIFの開発が進んでいない主な理由である。最小の装置でも、依然としてかなり大きく高価である。開発目的であれば、レーザーの方がシンプルで安価であり、最終的には爆縮物理学の観点から同様の方法で動作する。とはいえ、レーザーICFプログラムが継続されるにつれて、ますます大型の駆動装置が必要であることが実証され、最終的にNIFが誕生した。NIFは約40億ドルで、サッカー場2面分の大きさであり、小さくも安価でもない。[ f ]
2003年、DOEはICFに関する取り組みのすべてをNIFプログラムに集中させることを決定した。これは、NIF後の多くのプロジェクトがNIFの結果に基づいて行われるためである。HIFプログラムのためのさまざまな小規模なテストコンセプトの計画は、その時点でほぼ終了した。[ 15 ]
ICFターゲットを必要な密度まで圧縮するために必要なエネルギーは約10⁷ J/gなので、 1 mg程度の少量の燃料の場合、 必要なエネルギーは約10 kJです。しかし、燃料を核融合温度まで加熱するには追加のエネルギーが必要であり、圧縮だけでは約10⁹ J /gになるまで十分ではありません。このため、この必要量を約10⁸ J/gまで下げるためのさまざまなメカニズムが生まれます[ g ] [ 18 ] 。したがって、 1 mgの燃料に対して合計で約100 kJになります。圧縮中のさまざまな損失メカニズムにより、そのエネルギーの約90%が失われるため、駆動装置は1 MJ 程度のものが必要になります[ 8 ] [ h ] 。
1970年代にこの概念が初めて検討されたとき、最も強力な加速器は、通常電子または陽子を使用して、少数の粒子を高エネルギーまで加速していました。1 MJ に達することができたものは、一般的に約 20 GeV のエネルギーの陽子を使用していました 。これらの非常に相対論的な粒子は、減速せずに小さな物体をそのまま通過するため、ICF には適していません。理想的な駆動装置は、より速く停止する、はるかに多くの低エネルギー粒子を使用したいと考えます。20 MeV 未満の非相対論的エネルギーでは、小さな物体内で停止する可能性が十分にあります。これらのエネルギーでは、必要なエネルギーを供給するために必要な粒子の数、つまり「ルミノシティ」は、既存のどの技術よりもはるかに多くなります。[ 8 ]
より重い粒子に移行すると、エネルギー = 1/2 mv²であるため、速度を低下させるという点で多少の利点がありますが、質量はエネルギーに比例し、速度は二乗に比例するため、速度の低下はそれほど大きくありません。重要な利点は、粒子がターゲット内で減速する方法です。粒子がターゲット内の原子を通過すると、その電荷がターゲットの原子をイオン化し、これらの相互作用によって、クーロン衝突として知られる散乱プロセスで粒子が減速します。クーロン衝突の興味深い効果は、軌道の終端付近でのイオンの減速によって引き起こされるブラッグピークです。この効果は、イオンが物質に打ち込まれると、そのほとんどが明確に定義された距離に沈着することを意味します。任意の停止距離と粒子エネルギーを選択した場合、重いイオンは陽子よりも約 3 桁短い距離で停止するため、システムの構成がはるかに容易になります。[ 8 ] [ 19 ]
レーザー駆動ICFの場合と同様に、HIFは直接駆動または間接駆動のいずれかの概念を使用して構築できます[ 19 ]。どちらかを使用する主な理由は同じです。直接駆動では、ドライバーのビーム精度がはるかに高くなりますが、ドライバーからのエネルギーの約15%を燃料に供給します。一方、間接駆動では、ビームの位置とタイミングに対する厳密性は低く、ターゲットに供給されるエネルギーは約5%だけです。[ 18 ]
間接駆動方式の場合、システムはレーザー駆動方式とほぼ同じですが、違いは主にホロラウムの設計にあります。レーザー装置では、ホロラウムは開いた円筒形をしており、レーザービームは両端から入射し、内壁に照射されます。イオン駆動方式の場合、停止距離の関係でX線がホロラウムの壁内に捕捉されてしまいます。そのため、ホロラウムは薄いシェル状、通常は卵形をしており、内部に小さな金属板が吊り下げられています。ホロラウムの壁はビームが見えないほど薄く、ビームはより厚い金属板に当たり、加熱されてX線を放出し、シェル全体に広がります。そして、X線によって燃料カプセルがレーザー駆動方式と全く同じように崩壊します。ただし、この場合、HIF駆動方式には1つの利点があります。HIF駆動方式は高周波で高速に振動させることができ、ホロラウム内でビームを移動させて加熱を均一化できるのです。ホロラウム壁面へのホットスポットの形成はレーザー装置において問題であることが証明されており、これはそれを回避できる可能性がある。[ 19 ]
イオンの停止距離が約 1 mm であるため、直接駆動 HIF のターゲットは一般的にレーザーシステムのターゲットよりも大きく、はるかに厚くなっています。典型的な設計では 、半径が約 4 mm で、外側の層は鉛または金、プッシャーはアルミニウムなどの軽い金属でできており、内側のアルミニウム層に凍結された薄い DT 燃料層があります。内側のコアは約 2.8 mm で、空洞です。このような設計では、外側の密度が高く、内側の密度が低いため、レイリー・テイラー不安定性(RT) の式となるため、ターゲットと照明は極めて均一でなければなりません。照明を考慮すると、16 ～ 32 本のビームが必要であることが示唆されます。カプセルの設計によっては、圧縮を緩衝して RT を低減するために、薄いフォーム層を追加するものもあります。[ 20 ]
初期の ICF システムにおける大きな問題は、レーザー パルスが時間的にほぼ均一であったことです。このため、カプセルが吸収できるよりも速くエネルギーが投入され、燃料が単に押し出されるのではなく加熱されることがわかりました。これが、予熱を避けながら駆動プロセスを開始する、はるかに低いエネルギーの初期期間である「フット」という現代の概念につながり、その後、プロセスの終盤近くに続く「メイン パルス」が最終的な高圧縮段階を駆動します。プッシャー レイヤーの質量のため、プロセス全体はレーザー システムよりも遅く、パルス全体は約 35 ns 持続し、 レーザーパルスの約1/3と比較されます。 [ 20 ]
ドライバーシステムには主に2つの設計コンセプトがあり、米国チームは誘導加速器に、欧州と日本のチームは高周波加速器に注力している。[ 21 ]
RF加速器は、周期的に間隔が空いたパイプで構成されており、それぞれの間隔は共振空洞で囲まれています。間隔に無線周波数信号が印加されると、それぞれの間隔が選択された周波数で共振し始めます。これにより、間隔に電気力が発生し、パイプに沿ってイオンが加速されます。信号は、イオンのグループが通過するときにピークに達するようにタイミングが調整されています。つまり、イオンの短いパルスしか加速できないため、パルスを再び結合する方法が必要になります。[ 21 ]
誘導加速器は、ビームラインに沿って間隔を置いて配置された一連のソレノイドで構成されています。イオンが通過する際にそれぞれに電力が供給され、イオンを加速します。この方式の利点は、加速器を複数のビームラインに巻き付けて、それらをすべて同時に加速できることです。[ 21 ]
いずれの場合も、非常に短いパルスで非常に大きなビーム出力が必要であり、それらのビームを約 3 mm まで集束させる必要があるため、多くの新しい設計要素が要求されます。[ 21 ]集束要件を満たすために、初期イオン源は、空間と速度におけるイオンの広がりであるエミッタンスが非常に低い必要があります。これは基本的に、生成されたときのイオンのランダムな動きの尺度であり、イオンの温度の関数です。必要なエミッタンスを提供するには、新しい低温インジェクターを開発する必要があります。[ 21 ]
イオンの正の電荷は、時間の経過とともにイオン同士を遠ざけ、空間電荷限界という概念につながります。これは、特定の体積内で集束状態を維持できるイオンの最大数です。この値は、ターゲットを圧縮するパルスを生成するために必要な値よりもはるかに低い値です。米国の設計では、ターゲットチャンバーに近づくとすぐに合流する多数の平行ビームラインを使用することでこの問題に対処しています。ヨーロッパの設計では、この役割に蓄積リングを使用することが好まれています。どちらの場合も、最初の長いイオンパルスの長さが短縮され、より短いパルスが生成されます。たとえば、ある米国の設計では、最初のパルスは27μsの 長さで、10nsになるまで繰り返し圧縮されます 。[ 21 ]
どのバージョンでも、結果として得られる設計は非常に長くなります。米国の図解では一般的に、U字型に折り畳まれたビームラインが使用され、全長は約1キロメートル（0.62マイル）になります。[ 22 ]これがHIFアプローチの主な欠点です。テスト目的でビーム電流の少ない加速器を構築することは可能ですが、個々のイオンには依然として同じエネルギーが必要なため、加速器は生産用原子炉の高電流バージョンと同様のサイズになります。
イオンをレーザーよりも使用することには、実用上大きな利点があります。まず、所望のエネルギーレベルに到達できるレーザーは非常に非効率的で、供給される電力の約 1% がビーム内の光子として利用されます。対照的に、HIF ドライバーは入力エネルギーの約 30 ～ 40% をビームに投入します。[ 19 ]これにより、正味エネルギー出力を生成することが目標である場合、ターゲットに必要な性能が大幅に緩和されます。4 MJ のレーザーには約 400 MJ の電気エネルギーが必要であり、最新のランキンサイクル発電機の効率が約 40% であることを考慮すると、カプセルからの出力はレーザーを再充電するために少なくとも約 1 GJ でなければなりません。対照的に、同じ 4 MJ のビームエネルギーは 10 MJ の HIF ドライバー で生成でき、約 40 MJ の核融合出力が必要となり、目標は劇的に単純になります。プロセスにおける追加の損失を考慮すると、HIF デバイスの目標ゲインは一般的に 50 ～ 70 程度です。[ 19 ]
HIF設計のもう1つの大きな利点は、連続して高速に発射できることです。レーザーで使用されるガラスシステムは、ビームの通過によって加熱され、膨張して焦点がぼやけるため、再び使用できるようになるまで冷却に時間がかかります。実際には、これによりNIFのような装置は1日に数回の「ショット」に制限され、高度な冷却システムを使用することでこれを増やすことはできますが、発射時間は数分、あるいは数十秒に短縮される可能性があります。対照的に、HIFにはインラインのフォーカスやビーム制御コンポーネントがなく、それらはすべてビームラインを囲む磁石によって処理されます。これにより、HIFは連続的に発射することができ、毎秒10～15ショットの速度が可能と思われます。[ 19 ]これは、出力が比較的連続的に見えるようにショットのタイミングを十分に速くする必要がある運用プラントの場合、非常に大きな利点です。[ 19 ]
ビームを電気的に制御できる能力は、運用上の大きな利点をもたらします。パルス中に小規模なビームステアリング、つまり「揺動」を行うことで、エネルギーを滑らかにすることができます。より長い時間スケールでは、ビームの長い移動距離にわたって、たわみや地震による装置の継続的な動きを考慮する必要があります。レーザーシステムでは、これには長時間の再校正作業が必要ですが、HIF の場合は、最終ステアリング磁石の磁場をわずかに変更することで、これを容易に、場合によっては継続的に実行できます。これは、完全に異なる反応チャンバー間でビームをステアリングするためにも使用でき、フェイルオーバー操作が可能になり、目的のパルスレートが1つのチャンバーをクリアできる速度よりも速い場合に、異なるチャンバーに連続して照射することができます。[ 23 ]
最後に、レーザーが反応室に入る最終光学系は、高エネルギー中性子やその他さまざまな粒子や放射線を含む核融合反応の直接出力にさらされます。これにより、窓が絶えず侵食され、高エネルギー光で重大な問題が発生する可能性があります。これは、レーザー駆動ICF装置で重大な問題として浮上しています。[ 8 ] HIFは容易に方向制御できるため、回転式機械シャッターなどのコンセプトを使用してビームラインを反応から隔離するなど、これらの問題に対する簡単な解決策がいくつか提供されています。[ 24 ]
1990年代から2000年代にかけて、ICFプロセスのシミュレーション精度の向上と加速器設計の継続的な改善に支えられ、いくつかの設計研究が発表された。その集大成は、1990年10月に発表されたHYLIFE-II設計研究である。この研究では、溶融フリブを用いて反応室の壁を保護し、燃料用のトリチウムを生成するHIF発電所を想定している。ベースラインとなる1 GWe設計では、1988年ドル換算で9セント/kWh （ 2025年換算で0.25ドル相当）の均等化発電コスト （LCOE）が見込まれた。[ 25 ]これは当時ですら競争力のある数値ではなく、[ i ]原子炉が2 GWeという非常に大きな規模にスケールアップされたときに初めて競争力を持つようになったが、その規模では商業的な適用性は著しく制限されることになる。[ 25 ]この論文は次のように結論付けている。
将来の石炭火力発電や軽水炉原子力発電と競争するためには、電力コストを2分の1に削減する必要がある。[ 27 ]
より現代的なレビューでも、同じ結論に至っている。
最後に、コスト削減を目的とした研究は極めて重要である。[ 28 ]