The National Ignition Facility (NIF) at Lawrence Livermore National Laboratory includes a precision laser system now capable of delivering 1.8 MJ at 500 TW of 0.35-μm light to a target. NIF has been operational since March 2009. A variety of experiments have been completed in support of NIF's mission areas: national security, fundamental science, and inertial fusion energy. NIF capabilities and infrastructure are in place to support its missions with nearly 60 X-ray, optical, and nuclear diagnostic systems. A primary goal of the National Ignition Campaign (NIC) on the NIF was to implode a low-Z capsule filled with ∼0.2 mg of deuterium-tritium (DT) fuel via laser indirect-drive inertial confinement fusion and demonstrate fusion ignition and propagating thermonuclear burn with a net energy gain of ∼5–10 (fusion yield/input laser energy). This requires assembling the DT fuel into a dense shell of ∼1000 g/cm3 with an areal density (ρR) of ∼1.5 g/cm2, surrounding a lower density hot spot with a temperature of ∼10 keV and a ρR ∼0.3 g/cm2, or approximately an α-particle range. Achieving these conditions demand precise control of laser and target parameters to allow a low adiabat, high convergence implosion with low ablator fuel mix. We have demonstrated implosion and compressed fuel conditions at ∼80–90% for most point design values independently, but not at the same time. The nuclear yield is a factor of ∼3–10× below the simulated values and a similar factor below the alpha dominated regime. This paper will discuss the experimental trends, the possible causes of the degraded performance (the off-set from the simulations), and the plan to understand and resolve the underlying physics issues.

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.

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.

The Monte Carlo Transport Project at Lawrence Livermore National Laboratory develops two Monte Carlo transport codes used in production by a sizable internal user community. Mercury is a Monte Carlo particle transport code used to model the interaction of neutrons, gammas, and light ions with a material. Imp is an implicit Monte Carlo thermal x-ray photon transport code used to model the interaction of x-ray photons with a material. This paper describes the two codes and highlights recent developments.