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.

Proton radiography is an essential diagnostic for studying magnetic fields in high energy density physics experiments. Protons are born in a fusion implosion, traverse the plasma, and are detected on CR-39 solid state nuclear track detectors. Here, it is shown that there is an intrinsic non-uniformity in ∼15 MeV D3He proton radiography data. The increasing angle between the proton trajectory and the center of the detector results in the proton traveling through more detector stack material. As the protons travel through more material and lose energy, the proton energy spectrum gets wider. Protons at the lower end of the spectrum can therefore be lost. The nominal filtering results in protons being ranged out at large angles, causing the intrinsic non-uniformity. This angular effect is confirmed with both OMEGA experiments and Geant4 simulations. It is found that reducing the filtering between the pieces of CR-39 in the detector stack mitigates this effect. Results from accelerator experiments show that this reduced filtering does not impact the detection efficiency of the CR-39. Accounting for this intrinsic fluence non-uniformity is essential for magnetic field reconstruction techniques using proton radiographs.

Shock-driven implosions with 100% deuterium (D_{2}) gas fill compared to implosions with 50:50 nitrogen-deuterium (N_{2}D_{2}) gas fill have been performed at the OMEGA laser facility to test the impact of the added mid-Z fill gas on implosion performance. Ion temperature (T_{ion}) as inferred from the width of measured DD-neutron spectra is seen to be 34%±6% higher for the N_{2}D_{2} implosions than for the D_{2}-only case, while the DD-neutron yield from the D_{2}-only implosion is 7.2±0.5 times higher than from the N_{2}D_{2} gas fill. The T_{ion} enhancement for N_{2}D_{2} is observed in spite of the higher Z, which might be expected to lead to higher radiative loss, and higher shock strength for the D_{2}-only versus N_{2}D_{2} implosions due to lower mass, and is understood in terms of increased shock heating of N compared to D, heat transfer from N to D prior to burn, and limited amount of ion-electron-equilibration-mediated additional radiative loss due to the added higher-Z material. This picture is supported by interspecies equilibration timescales for these implosions, constrained by experimental observables. The one-dimensional (1D) kinetic Vlasov-Fokker-Planck code ifp and the radiation hydrodynamic simulation codes hyades (1D) and xrage [1D, two-dimensional (2D)] are brought to bear to understand the observed yield ratio. Comparing measurements and simulations, the yield loss in the N_{2}D_{2} implosions relative to the pure D_{2}-fill implosion is determined to result from the reduced amount of D_{2} in the fill (fourfold effect on yield) combined with a lower fraction of the D_{2} fuel being hot enough to burn in the N_{2}D_{2} case. The experimental yield and T_{ion} ratio observations are relatively well matched by the kinetic simulations, which suggest interspecies diffusion is responsible for the lower fraction of hot D_{2} in the N_{2}D_{2} relative to the D_{2}-only case. The simulated absolute yields are higher than measured; a comparison of 1D versus 2D xrage simulations suggest that this can be explained by dimensional effects. The hydrodynamic simulations suggest that radiative losses primarily impact the implosion edges, with ion-electron equilibration times being too long in the implosion cores. The observations of increased T_{ion} and limited additional yield loss (on top of the fourfold expected from the difference in D content) for the N_{2}D_{2} versus D_{2}-only fill suggest it is feasible to develop the platform for studying CNO-cycle-relevant nuclear reactions in a plasma environment.

The Particle Time of Flight (PTOF) diagnostic is a chemical vapor deposition diamond-based detector and is the only diagnostic for measuring nuclear bang times of low yield (<1013) shots on the National Ignition Facility. Recently, a comprehensive study of detector impulse responses revealed certain detectors with very fast and consistent impulse responses with a rise time of <50 ps, enabling low yield burn history measurements. At the current standoff of 50 cm, this measurement is possible with fast 14 MeV neutrons from deuterium–tritium (DT) fusion plasmas. PTOF-inferred DT burn width numbers compare well with widths inferred from the gamma reaction history diagnostic on mid-yield (1013–1015) shots, where both systems are capable of making this measurement. These new capabilities could be extended to 2.5 MeV deuterium–deuterium neutrons from D plasmas and to even lower yield by reducing the detector standoff distance to 10 cm; a design for this is also presented.