Inertial confinement fusion (ICF) is an approach to fusion that relies on the inertia of the fuel mass to provide confinement. To achieve conditions under which inertial confinement is sufficient for efficient thermonuclear burn, a capsule (generally a spherical shell) containing thermonuclear fuel is compressed in an implosion process to conditions of high density and temperature. ICF capsules rely on either electron conduction (direct drive) or x rays (indirect drive) for energy transport to drive an implosion. In direct drive, the laser beams (or charged particle beams) are aimed directly at a target. The laser energy is transferred to electrons by means of inverse bremsstrahlung or a variety of plasma collective processes. In indirect drive, the driver energy (from laser beams or ion beams) is first absorbed in a high-Z enclosure (a hohlraum), which surrounds the capsule. The material heated by the driver emits x rays, which drive the capsule implosion. For optimally designed targets, 70%–80% of the driver energy can be converted to x rays. The optimal hohlraum geometry depends on the driver. Because of relaxed requirements on laser beam uniformity, and reduced sensitivity to hydrodynamic instabilities, the U.S. ICF Program has concentrated most of its effort since 1976 on the x-ray or indirect-drive approach to ICF. As a result of years of experiments and modeling, we are building an increasingly strong case for achieving ignition by indirect drive on the proposed National Ignition Facility (NIF). The ignition target requirements for hohlraum energetics, radiation symmetry, hydrodynamic instabilities and mix, laser plasma interaction, pulse shaping, and ignition requirements are all consistent with experiments. The NIF laser design, at 1.8 MJ and 500 TW, has the margin to cover uncertainties in the baseline ignition targets. In addition, data from the NIF will provide a solid database for ion-beam-driven hohlraums being considered for future energy applications. In this paper we analyze the requirements for indirect drive ICF and review the theoretical and experimental basis for these requirements. Although significant parts of the discussion apply to both direct and indirect drive, the principal focus is on indirect drive.

The 1990 National Academy of Science final report of its review of the Inertial Confinement Fusion Program recommended completion of a series of target physics objectives on the 10-beam Nova laser at the Lawrence Livermore National Laboratory as the highest-priority prerequisite for proceeding with construction of an ignition-scale laser facility, now called the National Ignition Facility (NIF). These objectives were chosen to demonstrate that there was sufficient understanding of the physics of ignition targets that the laser requirements for laboratory ignition could be accurately specified. This research on Nova, as well as additional research on the Omega laser at the University of Rochester, is the subject of this review. The objectives of the U.S. indirect-drive target physics program have been to experimentally demonstrate and predictively model hohlraum characteristics, as well as capsule performance in targets that have been scaled in key physics variables from NIF targets. To address the hohlraum and hydrodynamic constraints on indirect-drive ignition, the target physics program was divided into the Hohlraum and Laser–Plasma Physics (HLP) program and the Hydrodynamically Equivalent Physics (HEP) program. The HLP program addresses laser–plasma coupling, x-ray generation and transport, and the development of energy-efficient hohlraums that provide the appropriate spectral, temporal, and spatial x-ray drive. The HEP experiments address the issues of hydrodynamic instability and mix, as well as the effects of flux asymmetry on capsules that are scaled as closely as possible to ignition capsules (hydrodynamic equivalence). The HEP program also addresses other capsule physics issues associated with ignition, such as energy gain and energy loss to the fuel during implosion in the absence of alpha-particle deposition. The results from the Nova and Omega experiments approach the NIF requirements for most of the important ignition capsule parameters, including drive temperature, drive symmetry, and hydrodynamic instability. This paper starts with a review of the NIF target designs that have formed the motivation for the goals of the target physics program. Following that are theoretical and experimental results from Nova and Omega relevant to the requirements of those targets. Some elements of this work were covered in a 1995 review of indirect-drive [J. D. Lindl, “Development of the indirect-drive approach to inertial confinement fusion and the target physics basis for ignition and gain,” Phys. Plasmas 2, 3933 (1995)]. In order to present as complete a picture as possible of the research that has been carried out on indirect drive, key elements of that earlier review are also covered here, along with a review of work carried out since 1995.

The National Ignition Campaign (NIC) was a multi-institution effort established under the National Nuclear Security Administration of DOE in 2005, prior to the completion of the National Ignition Facility (NIF) in 2009. The scope of the NIC was the planning and preparation for and the execution of the first 3 yr of ignition experiments (through the end of September 2012) as well as the development, fielding, qualification, and integration of the wide range of capabilities required for ignition. Besides the operation and optimization of the use of NIF, these capabilities included over 50 optical, x-ray, and nuclear diagnostic systems, target fabrication facilities, experimental platforms, and a wide range of NIF facility infrastructure. The goal of ignition experiments on the NIF is to achieve, for the first time, ignition and thermonuclear burn in the laboratory via inertial confinement fusion and to develop a platform for ignition and high energy density applications on the NIF. The goal of the NIC was to develop and integrate all of the capabilities required for a precision ignition campaign and, if possible, to demonstrate ignition and gain by the end of FY12. The goal of achieving ignition can be divided into three main challenges. The first challenge is defining specifications for the target, laser, and diagnostics with the understanding that not all ignition physics is fully understood and not all material properties are known. The second challenge is designing experiments to systematically remove these uncertainties. The third challenge is translating these experimental results into metrics designed to determine how well the experimental implosions have performed relative to expectations and requirements and to advance those metrics toward the conditions required for ignition. This paper summarizes the approach taken to address these challenges, along with the progress achieved to date and the challenges that remain. At project completion in 2009, NIF lacked almost all the diagnostics and infrastructure required for ignition experiments. About half of the 3 yr period covered in this review was taken up by the effort required to install and performance qualify the equipment and experimental platforms needed for ignition experiments. Ignition on the NIF is a grand challenge undertaking and the results presented here represent a snapshot in time on the path toward that goal. The path forward presented at the end of this review summarizes plans for the Ignition Campaign on the NIF, which were adopted at the end of 2012, as well as some of the key results obtained since the end of the NIC.

Point design targets have been specified for the initial ignition campaign on the National Ignition Facility [G. H. Miller, E. I. Moses, and C. R. Wuest, Opt. Eng. 443, 2841 (2004)]. The targets contain D-T fusion fuel in an ablator of either CH with Ge doping, or Be with Cu. These shells are imploded in a U or Au hohlraum with a peak radiation temperature set between 270 and 300 eV. Considerations determining the point design include laser-plasma interactions, hydrodynamic instabilities, laser operations, and target fabrication. Simulations were used to evaluate choices, and to define requirements and specifications. Simulation techniques and their experimental validation are summarized. Simulations were used to estimate the sensitivity of target performance to uncertainties and variations in experimental conditions. A formalism is described that evaluates margin for ignition, summarized in a parameter the Ignition Threshold Factor (ITF). Uncertainty and shot-to-shot variability in ITF are evaluated, and sensitivity of the margin to characteristics of the experiment. The formalism is used to estimate probability of ignition. The ignition experiment will be preceded with an experimental campaign that determines features of the design that cannot be defined with simulations alone. The requirements for this campaign are summarized. Requirements are summarized for the laser and target fabrication.

For the past four decades, scientists throughout the world have pursued the dream of controlled thermonuclear fusion. The attraction of this goal is the enormous energy that is potentially available in fusion fuels and the view of fusion as a safe, clean energy source. The fusion reaction with the highest cross section uses the deuterium and tritium isotopes of hydrogen, and D-T would be the fuel of choice for the first generation of fusion reactors. (See the article by J. Geoffrey Cordey, Robert J. Goldston and Ronald R. Parker, January, page 22.)

Ignition Set to Go One aim of the National Ignition Facility is to implode a capsule containing a deuterium-tritium fuel mix and initiate a fusion reaction. With 192 intense laser beams focused into a centimeter-scale cavity, a major challenge has been to create a symmetric implosion and the necessary temperatures within the cavity for ignition to be realized (see the Perspective by Norreys ). Glenzer et al. (p. 1228 , published online 28 January) now show that these conditions can be met, paving the way for the next step of igniting a fuel-filled capsule. Furthermore, Li et al. (p. 1231 , published online 28 January) show how charged particles can be used to characterize and measure the conditions within the imploding capsule. The high energies and temperature realized can also be used to model astrophysical and other extreme energy processes in a laboratory settings.

Abstract Obtaining a burning plasma is a critical step towards self-sustaining fusion energy 1 . A burning plasma is one in which the fusion reactions themselves are the primary source of heating in the plasma, which is necessary to sustain and propagate the burn, enabling high energy gain. After decades of fusion research, here we achieve a burning-plasma state in the laboratory. These experiments were conducted at the US National Ignition Facility, a laser facility delivering up to 1.9 megajoules of energy in pulses with peak powers up to 500 terawatts. We use the lasers to generate X-rays in a radiation cavity to indirectly drive a fuel-containing capsule via the X-ray ablation pressure, which results in the implosion process compressing and heating the fuel via mechanical work. The burning-plasma state was created using a strategy to increase the spatial scale of the capsule 2,3 through two different implosion concepts 4–7 . These experiments show fusion self-heating in excess of the mechanical work injected into the implosions, satisfying several burning-plasma metrics 3,8 . Additionally, we describe a subset of experiments that appear to have crossed the static self-heating boundary, where fusion heating surpasses the energy losses from radiation and conduction. These results provide an opportunity to study α-particle-dominated plasmas and burning-plasma physics in the laboratory.

We present quantitative motivations and assessments of various proposed and ongoing directions to further improving yields and target gain of igniting indirect-drive implosions at the National Ignition Facility (NIF). These include increasing compression and confinement time, improving hohlraum and ablator efficiency, and further increasing peak power and laser energy. 1D hydroscaled simulations, augmented by analytic 1D theory, have been used to project yield improvements for each of these implosion optimization tracks, normalized to the best current performing 4 MJ shot. At current NIF capabilities of 2.2 MJ, 450 TW, we project several paths could reach 15 MJ yield levels. We also expect several key implosion physics questions will be addressed in attempting to reach this yield level. These include demonstrating to what extent lower adiabat designs leading to higher compression will increase gain and efficiency, and whether we can reduce residual kinetic energy and ablator-fuel mix that is probably limiting the current burn-up fraction. For an envisaged NIF upgrade to EL = 3 MJ at fixed 450 TW peak power, scaling capsule size and fuel thicknesses faster than pure hydroscaling should allow for yields that could reach up to 60–80 MJ, depending on the efficiency gains realized in increasing deuterium-tritium fuel thickness, reducing hohlraum losses, and switching to lower Z ablators. The laser-plasma instability and beam transmission scaling in these larger hohlraums is shown to be favorable if the spot size is increased with hohlraum scale.

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.

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.