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.

Frustraums have a higher laser-to-capsule x-ray radiation coupling efficiency and can accommodate a large capsule, thus potentially generating a higher yield with less laser energy than cylindrical Hohlraums for a given Hohlraum volume [Amendt et al., Phys. Plasmas 26, 082707 (2019]. Frustraums are expected to have less m = 4 azimuthal asymmetries arising from the intrinsic inner-laser-beam geometry on the National Ignition Facility. An experimental campaign at Lawrence Livermore National Laboratory to demonstrate the high-coupling efficiency and radiation symmetry tuning of the Frustraum has been under way since 2021. Simulations benchmarked against experimental data show that implosions using Frustraums can achieve more yield with higher ignition margins than cylindrical Hohlraums using the same laser energy. Hydrodynamic jets in capsules along the Hohlraum axis, driven by radiation-flux asymmetries in a Hohlraum with a gold liner on a depleted uranium (DU) wall, are present around stagnation, and these “polar” jets can cause severe yield degradation. The early-time Legendre mode P4<0 radiation-flux asymmetry is a leading cause of these jets, which can be reduced by using an unlined DU Hohlraum because the shape of the shell is predicted to be more prolate. Magnetization can increase the implosion robustness and reduce the required hotspot ρR for ignition; therefore, magnetizing the Frustraum can maintain the same yield while reducing the required laser energy or increase the yield using the same laser energy—all under the constraint that the ignition margin is preserved. Reducing polar jets is particularly important for magnetized implosions because of the intrinsic toroidal hotspot ion temperature topology.

The inertial confinement fusion program relies upon detailed simulations with inertial confinement fusion (ICF) codes to design targets and to interpret the experimental results. These simulations treat as much physics from essential principles as is practical, including laser deposition, cross beam energy transfer, x-ray production and transport, nonlocal thermal equilibrium kinetics, thermal transport, hydrodynamic instabilities, thermonuclear burn, and transport of reaction products. Improvements in radiation hydrodynamic code capabilities and vast increases in computing power have enabled more realistic, accurate 3D simulations that treat all known asymmetry sources. We describe how numerical simulations helped to guide the program, assess the impediments to breakeven, and optimize every aspect of target design. A preshot simulation of the first National Ignition Facility experiment that surpassed breakeven predicted an increased yield that matches the experimental result, within the preshot predicted uncertainty, with a target gain of 1.5. We will cover the key developments in Lawrence Livermore National Laboratory ICF codes that enabled these simulations and give specific examples of how they helped to guide the program.