For more than half a century, researchers around the world have been engaged in attempts to achieve fusion ignition as a proof of principle of various fusion concepts. Following the Lawson criterion, an ignited plasma is one where the fusion heating power is high enough to overcome all the physical processes that cool the fusion plasma, creating a positive thermodynamic feedback loop with rapidly increasing temperature. In inertially confined fusion, ignition is a state where the fusion plasma can begin "burn propagation" into surrounding cold fuel, enabling the possibility of high energy gain. While "scientific breakeven" (i.e., unity target gain) has not yet been achieved (here target gain is 0.72, 1.37 MJ of fusion for 1.92 MJ of laser energy), this Letter reports the first controlled fusion experiment, using laser indirect drive, on the National Ignition Facility to produce capsule gain (here 5.8) and reach ignition by nine different formulations of the Lawson criterion.

Recent indirect drive inertial confinement fusion implosions on the National Ignition Facility (NIF) [Spaeth et al., Fusion Sci. Technol. 69, 25 (2016)] have crossed the threshold of ignition. However, performance has been variable due to several factors. One of the leading sources of variability is the quality of the high-density carbon (HDC) shells used as ablators in these experiments. In particular, these shells can have a number of defects that have been found to correlate with the appearance of ablator mix into the hot spot and a degradation in nuclear yield. These defects include pits on the ablator surface, voids in the ablator bulk, high-Z debris from the Hohlraum wall that adheres to the capsule surface, and finally the inherent granular micro-structure of the crystalline HDC itself. This paper summarizes high-resolution modeling of each of these mix sources in two recent high-performance NIF implosion experiments. The simulated impact from a range of individual capsule defects is found to be broadly consistent with the trends seen in experiment, lending credence to the modeling results and the details of the mixing process that they reveal. Interestingly, modeling of the micro-structure inherent to HDC shows that this perturbation source results in considerable mixing of the deuterium–tritium fuel with ablator material during the implosion. The reduction in fuel compression from this mix results in an approximately factor of two reduction in neutron yield in current implosions and emphasizes the importance of mitigating this significant performance degradation.

A decades-long quest to achieve fusion energy target gain and ignition in a controlled laboratory experiment, dating back to 1962, has been realized at the National Ignition Facility (NIF) on December 5, 2022 [Abu-Shawareb et al., Phys. Rev. Lett. 132, 065102 (2024)] where an imploded pellet of deuterium and tritium (DT) fuel generated more fusion energy (3.15 MJ) than laser energy incident on the target (2.05 MJ). In these experiments, laser beams incident on the inside of a cylindrical can (Hohlraum) generate an intense ∼3 × 106 million degree x-ray radiation bath that is used to spherically implode ∼2 mm diameter pellets containing frozen deuterium and tritium. The maximum fusion energy produced in this configuration to date is 3.88 MJ using 2.05 MJ of incident laser energy and 5.2 MJ using 2.2 MJ of incident laser energy, producing a new record target gain of ∼2.4×. This paper describes the physics (target and laser) design of this platform and follow-on experiments that show increased performance. We show robust megajoule fusion energy output using this design as well as explore design modification using radiation hydrodynamic simulations benchmarked against experimental data, which can further improve the performance of this platform.

Abstract For many decades, the running joke in fusion research has been that `fusion' is thirty years away and always will be. Yet, these past few years we find ourselves in a position where we can now talk about the milestones of burning plasmas, fusion ignition, and target energy gain greater than unity (scientific breakeven) in the past tense. Fusion is no longer a joke! Yet getting to fusion ignition, the tipping-point of thermonuclear instability resulting in an explosive increase in ion thermal temperature and fusion reaction-rate, and scientific breakeven (target gain, $G_{target}=$ fusion yield/deposited laser energy $> 1$, in the laser-driven inertial confinement fusion context) has not been easy. In this publication we discuss our present understanding of the physics and technological challenges surrounding ignition and Gain as well as highlight some outstanding problems that still need resolution.