Fusion fast ignition (FI) initiated by a laser-driven particle beam promises a path to high-yield and high-gain for inertial fusion energy. FI can readily leverage the proven capability of inertial confinement fusion (ICF) drivers, such as the National Ignition Facility, to assemble DT fusion fuel at the relevant high densities. FI provides a truly alternate route to ignition, independent of the difficulties with achieving the ignition hot spot in conventional ICF. FI by laser-driven ion beams provides attractive alternatives that sidestep the present difficulties with laser-driven electron-beam FI, while leveraging the extensive recent progress in generating ion beams with high-power density on existing laser facilities. Whichever the ion species, the ignition requirements are similar: delivering a power density ≈1022 W cm−3 (∼10 kJ in ≈20 ps within a volume of linear dimension ≈20 µm), to the DT fuel compressed to ∼400 g cm−3 with areal density ∼2 g cm−2. High-current, laser-driven beams of many ion species are promising candidates to deliver such high-power densities. The reason is that high energy, high-power laser drivers can deliver high-power fluxes that can efficiently make ion beams that are born neutralized in ∼fs–ps timescales, making them immune to the charge and current limits of conventional beams. In summary, we find that there are many possible paths to success with FI based on laser-driven ion beams. Although many ion species could be used for ignition, we concentrate here on either protons or C ions, which are technologically convenient species. We review the work to date on FI design studies with those species. We also review the tremendous recent progress in discovering, characterizing and developing many ion-acceleration mechanisms relevant to FI. We also summarize key recent technological advances and methods underwriting that progress. Based on the design studies and on the increased understanding of the physics of laser-driven ion acceleration, we provide laser and ion-generation laser-target design points based on several distinct ion-acceleration mechanisms.
核融合高速点火（FI）は、レーザー駆動粒子ビームによって開始され、慣性核融合エネルギーにおける高収量・高利得への道を約束する。FIは、慣性閉じ込め核融合（ICF）ドライバー、例えば国立点火施設（NIF）のような実証済みの能力を活用して、DT核融合燃料を関連する高密度に圧縮することができる。FIは、従来のICFにおける点火ホットスポットの達成に伴う困難から独立した、真に代替的な点火経路を提供する。レーザー駆動イオンビームによるFIは、レーザー駆動電子ビームによるFIの現在の困難を回避する魅力的な代替手段を提供し、既存のレーザー施設における高パワー密度イオンビーム生成の最近の大幅な進展を活用する。イオン種にかかわらず、点火要件は同様である：線形寸法約20 µmの体積内に、約20 psの時間で約10 kJ、すなわちパワー密度約10^22 W cm^-3を、約400 g cm^-3の密度と約2 g cm^-2の面密度に圧縮されたDT燃料に供給することである。高電流の多種多様なイオン種のレーザー駆動ビームは、そのような高パワー密度を供給する有望な候補である。その理由は、高エネルギー・高パワーのレーザードライバーが、約フェムト秒からピコ秒の時間スケールで中性化されて誕生する高フラックスを効率的に生成でき、従来のビームの電荷・電流制限の影響を受けないためである。要約すると、レーザー駆動イオンビームによるFIには多くの成功への道筋があることがわかる。点火には多くのイオン種が使用可能であるが、ここでは技術的に便利な陽子または炭素イオンに焦点を当てる。我々は、これらの種を用いたFI設計研究のこれまでの成果をレビューする。また、FIに関連する多種多様なイオン加速機構の発見、特性評価、開発における最近の顕著な進展もレビューする。さらに、その進展を支える主要な最近の技術的進歩と方法論を要約する。設計研究とレーザー駆動イオン加速の物理的理解の深まりに基づき、いくつかの異なるイオン加速機構に対応するレーザーおよびイオン生成の設計点を提供する。