Fusion Research从根本上旨在创建一种产生比创建它所需的能量更多的系统，这是能源应用的必要条件；在实践中，融合反应必须是自我维持的，具有自加热的超车损失机制，称为“点燃” 9。在包括恒星，Novae和1A型超新星以及热核武器在内的天体物理物体中达到了此类条件。实验室的点火需要将燃料加热到令人难以置信的高温，在该温度中，它变成了“等离子体”，并且很容易发生融合反应，同时还可以控制能量损失。在过去的几十年中，已经开发了几种方法来加热和局限血浆，其中大多数追求氘 - 三位生（DT）燃料，最容易获得点火。血浆限制的主要方法是“惯性”，一种冲动的燃烧，而燃料则由其自身的惯性限制和“磁性”，其中磁场的专门配置可限制等离子体中带电的颗粒。为了使DT融合（D+ T→α（3.5 MeV）+ N（14 MeV））血浆变得热不稳定和点燃，它必须首先获得“燃烧”状态。在这种制度中，来自α粒子沉积的自加热超过了DT8中的外部加热输入。该比率表示为qα，其中相对于等离子体的加热能力进行自热 - 对于惯性融合，这是燃料上的PDV压缩工作，而不是总激光能量（P，压力，DV，体积变化）。Qα> 1是燃烧的血浆。

　　燃烧的血浆状态表示DT等离子体的能量和功率平衡的变革变化，为快速提高性能的潜力开辟了可能。在冲动的惯性限制融合（ICF）10的情况下，Qα可以在燃烧期间作为功率，或在燃烧持续时间内积分的能量，而对于磁性融合能量的近态状态（MFE），Qα是一种权力。由于α粒子具有每d+t反应的总融合能的1/5，qα= q/5，其中q是与所提供的加热能相比的总融合能。（或在MFE情况下，就加热能力上的总融合功率而言；例如，ITER11的目标是达到qα≈2（q≈10），而从Jet Tokamak12的记录为qα≈0.13（q≈0.67）。

　　燃烧的血浆与惯性融合中的其他科学里程碑不同。2014年，“燃油增益” 13（Gfuel> 1）的第一个里程碑是14，其中融合产量超过了传递给燃料的能量；这对应于国家点火设施（NIF）的大约12-14 kJ的产量。在20–22 kJ时，产量大约通过自动加热的反馈翻了一番，称为“α加热” 15。如前所述，下一个科学里程碑是燃烧的血浆。这是这项工作中获得的科学里程碑。对于燃烧的血浆，相对于激光能量的净能量增长G，G，G n n n n净能量。由于实现所需压缩状态的能源损失，ICF内爆必须在净能量增益之前实现点火。净能量增益需要融合的产量大于激光能量1.9 MJ。尽管没有点火或能量增益，但燃烧的等离子体（Qα> 1）是实验室融合的新物理制度1,11,16。研究燃烧的等离子体将在该制度中阐明其他新物理学，例如在等离子体中进行自加热驱动的不稳定性或动力学效应，这可能取决于限制方法。

　　在托卡马克（Tokamak）中，一旦通过电阻加热产生血浆放电的主要方法，外部功率来源（例如射频天线）就会在血浆中提供额外的等离子体加热，因为血浆被融合到融合条件下。在间接驱动ICF中，将能量传递到融合燃料的方式不同，并且不那么直接。在NIF17上，192个激光器将高达1.9 MJ的频率触发光输送到高原子数（z）的“ hohlraum”（图1）（图1），其目的是X射线转换器生成几乎Planckian X射线浴的目的，这种方法称为“间接驱动器” 18。在Hohlraum内部设计了入射光束激光指向和及时的功率，以生成特定的辐射温度（图1，左下）），具有足够的均匀性，其方式与目标几何的细节和所需的最终等离子体状态相匹配。Hohlraum中心的胶囊表面吸收了约10–15％的X射线表面，导致胶囊的外边缘（烧蚀剂）的外部边缘离子化，从而产生数百MBAR的高压（1 MBAR = 1011 PA），并从胶囊中扩展了胶囊，即质量化。低温DT燃料的外壳在玻璃仪的内表面上分层，该燃料的内部表面在胶囊中心的部分压力平衡中具有DT蒸气的部分压力平衡（图1，左上）。由消融引起的向内指示加速度将胶囊和DT燃料向内驱动（爆内爆（在图1的右侧示意性地显示），并以巨大的加速度（约1014 m s -2）获得了大约350-400 km s -1的速度。胶囊吸收的大多数X射线能量（约92-95％）被消融过程消耗，但因此，DT燃料在很小的体积内获得了相当大的（约10-20 kJ）的动能。

　　DT燃料获得峰值动能后不久，内爆的压力（P）显着上升至数百个GBAR的水平（1 GBAR = 1014 PA），因为动力学在DT中转化为内部能量（一种称为停滞的过程）。ICF内爆是一种压力放大器，牺牲了吸收的能量，以达到高能量密度和中心压力，其因素高于消融前沿压力的因素。高中央压力是必要的，因为只有一小部分NIF的能量才能偶联到DT燃料中，并且加热大量DT燃料的耗能在能量成本上是昂贵的，如DT的热容量，CDT = 115 kJ mg -1 keV -1（9.9×103 J Kg -1 kg -1 kg -1）。在这些实验中，总燃料质量约为200μg，热点质量约为20–30μg。As a high ion temperature (Ti) is also needed for fusion, while the fuel stagnates at the centre of the implosion, the DT forms a hot spot from the fuel’s inner surface and PdV work is done on the hot spot, generating very high ion and electron temperatures in near thermal equilibrium (Ti ≈ Te ≈ 4–5 keV, 1 keV = 1.16 × 107 K, where Ti and Te are the ion and electron温度）。如果达到高温和压力的条件，热点会启动大量的DT融合反应和自热进一步增加Ti。

　　ICF实验已经证明了自加热14,15的大量融合性能提高，而最近的Advances19,20,21产生了实验，具有大约50 kJ的融合产率，这些实验接近燃烧的等离子阈值3。这些实验使用的胶囊具有相似的内部半径，在0.91至0.95 mm之间。在NIF最大激光能可以传递的最大激光能内，这些先前的设计受到与胶囊耦合的能量的限制，因此可以通过控制Hohlraum内辐射环境的对称性的能力，主要是因为烧蚀的质量泡沫从壁上伸出了壁，并在外观上伸出了内部束，从而在hohlraum内部的辐射环境的对称性扩展（图1）腰围22,23。已经使用了两种策略来实现对称控制，并具有更有效的hohlraums驱动较大胶囊的效率：通过更改激光波长分离（Δλ），调节外束到内束之间的横梁能量转移4,24,25；并在外梁位置的Hohlraum壁上合并一个口袋，以延迟气泡传播5。这些策略已用于设计控制对称性的更高效率hohlraums。我们使用这些hohlraums驱动比先前实验大约10％的胶囊，以实现实现以前工作中燃烧的等离子体的策略2。这些实验运动被称为“混合e”和“ i-raum”。Hybrid-E运动专门使用δλ，而I-Raum使用了口袋和Δλ的组合。支持这种燃烧的血浆分析的关键数据和分析在补充论文中给出：Ross等人7（实验）和Kritcher等人6。

　　已经进行了四个新设计实验，这些实验在NIF处产生了创纪录的性能，与过去的实验相比，融合产量为三倍，其中4,19,21，最多约为170 kJ。实验是由指示实验日期的实验编号提到的（例如，以Nyymmdd的格式，其中yy =年，mm =月和dd = day）。N201101和N210207是使用Hybrid-E平台的实验，N201122和N210220是使用I-RAUM平台的实验。11月（​​N201101和N201122）的实验相对于过去的工作，由于其规模的提高和有利的内爆设计参数，其性能提高了得多，但每种都遭受了低模式降解。在随后的实验（N210207和N210220）上减轻了这些低模式不对称性，从而导致较高的性能6,7。

　　在每个NIF实验中，一套光学，X射线和核诊断的全面套件测量了内爆性能的关键方面。关键数据在扩展数据表1中显示：KJ，离子温度（Ti，从DD反应测量）7，热点体积和PS中的燃烧宽度。有关实验数据的完整描述以及实验之间的变化，请参见参考文献。7.使用这些数据的分析模型用于推断内爆过程和热点的特征，包括压力，热点内部能量，内爆速度和燃料中燃料中的峰值动能，在热点上进行的PDV工作以及G cm-2中热点的Areal密度。这些数量需要评估燃烧的血浆标准。这些推论中的大多数在先前的工作26和方法中描述了。从最大中子输出（“爆炸时间”）和内爆动力学“火箭模型”，可以推断出内爆速度（VIMP），该动态被校准为接近邻近的替代实验，其中内爆轨迹在射线照相上被刻有27,28。

　　尽管希望有一个直接的度量表明燃烧的血浆，但尚不知道这种测量值，因此必须使用数据的推论。Gfuel与点火融合要求有直接的联系，并提出了一个简单的指标，用于评估Gfuel = Y/EPDV的燃烧等离子体，其中Y是融合率和EPDV，TOT是PDV在燃料上的总PDV（请参阅如何评估该数量的方法）。图2a（也扩展数据表1）显示了来自NIF与乘积PT1.6τ的许多DT内爆的GFUEL数据图，其中τ是一个约束时间；这是适用于Gfuel（方法）的类似Lawson的标准。

　　如图2A所示，大多数实验序列显示Gfuel之间的线性趋势，并且Gfuel≤5；但是，混合-E和I-RAUM内爆系列显示了Gfuel和Gfuel之间的超线性趋势的过渡（如预期的是自热时超过热点内部能量时），并且具有GFUEL> 5。< 5). In this and the following figures, historical data from NIF are shown from refs. 4,14,15,19,20,21,29,30,31, labelled by the names of those predecessor campaigns.

　　Figure 2b shows the probable distribution of the Gfuel values plotted in Fig. 2a, with the probability distribution in the inferred data quantities included to evaluate the uncertainty (Methods). For comparison, we include a set of previous high-performing NIF experiments from refs. 4,19,21. The abscissa of Fig. 2b are NIF experiment numbers; although several experiments in years prior to November 2020 came very close to the threshold of Gfuel = 5, only the experiments reported here have so far clearly surpassed it (see Extended Data Table 1 for values, where the quoted likelihood is the fraction of the distribution above the threshold).

　　Alternatively, comparing the total energy produced in α-particles, Eα = Y/5, to the peak kinetic energy of the DT fuel, KEfuel (Fig. 2c), is another simple metric. Similar to Fig. 2b, Fig. 2d shows the probable range of Eα/KEfuel, with normally distributed uncertainties in the input data versus experiment number for the eight highest performing DT experiments at NIF, where again only these four experiments clearly exceed Eα/KEfuel >1（值请参见扩展数据表1）。由于间接驱动式内爆的具有较小的射流质量的较小量，因此峰值速度保持较高，因此必须指出，牛肉不是在峰值速度下的总内爆动能。取而代之的是，由于停滞的壳是可压缩的，并且径向扩展，因此在峰值燃烧和拆卸之前，只能将消化器的动能的一部分转换为内部能量。

　　尽管GFUEL和Eα/Kefuel是ICF燃烧血浆的启发性指标，但文献中已经存在两个更严格且更严格的指标3,8。燃烧的播出陈述“α-沉积是血浆加热的主要来源”，使内爆的时间性质变得复杂，其中PDV在热点的热点工作，加热是在峰融合率之前的，这是一种不类似于MFE的考虑因素。飓风等人的先前作品。相对于等离子体条件，给出了速度（VCOND）2,3的条件，我们将其稍微修改为：

　　在KEV，G，CM和S的单位中。在这里，ρRHS是热点的密度，σν是融合反应性。

　　为了评估飓风度量，需要热点的温度和面积密度以及内爆速度（方法）。热核反应性σν是热点条件的函数，特别是温度。我们使用Bosch和Hale32的σν评估。图3a显示了热点温度和面积密度参数空间中的实验。先前的实验显示为点，目前的四个实验显示为完全概率分布（RED，N201101； BLUE，N201122； PURPLE，N210207； GREY，N210220），轮廓包含80％的分布。在图3a中，显示了代表这些实验的代表的VIMP = 385 km s -1的公式（1）的单个等式（1）。当评估每个实验的实际推断速度的标准时，请使用不确定性。这些是第一个超过飓风标准的实验，如图3b中的概率分布清楚地表明。这四个实验超过标准的可能性为89％（N201101），79％（N201122），N210207和N210220的可能性为100％。

　　公式（1）应大致等于Betti等人发现的燃烧 - 血浆标准。（3.5×屈服扩增和0.5eα/epdv，HS> 1）8，但对于完整性，我们都使用了。Betti等人（Yamp≥3.5）的第一个标准是通过我们推断的扩展数据表1中给出的推断的产量扩增来满足的，并在参考文献中的处方中推断出来。26和使用33的二维（2D）模拟中，需要两个数量才能评估第二个Betti等人。燃烧的血浆公制。α沉积能（Eα）很简单，因为它仅是测得的总融合产率的20％（在扩展数据表1中给出，该融合率为前两个实验约为20 kJ，N210207约为33 kJ，N210220约为31 kJ。这些标准的第二个输入是在热点上完成的PDV工作，必须推断出来。然而，在存在相当大的α加热和Bremsstrahlung X射线损失的情况下，这种推论易于大型不确定性。我们以两种方式（方法）进行了这种推论，首先是使用内爆的分析流体动力学模型34，其次，从2D辐射 - 水动力学模拟中提取PDV工作，最能匹配参考文献6中的实验可观察到的物品。这两个估计值用于在热点pdv工作中估算AT的范围AT，并与以前的a a inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf inf floft nif plupt nif propl nif plupt nif pl propl nif flupt nif pl propl nif flupt nif floft inif propl nif pl propl nif pl propl nif。表示燃烧的血浆制度（在线上方）。度量量本身的概率分布如图3D所示。根据Betti的标准，使用实验（模拟）EPDV，HS，我们评估了实验N201101和N201122的74％（0％）和97％（2％）的概率，是在燃烧的超脱制度中。概率的差异反映了一个事实，即模拟的PDV工作较高，因此对于满足标准更为悲观，这些实验的模拟值低于燃烧的超音速阈值。随着性能的提高， 通过实验和模拟方法，评估了N210207和N210220的实验N210207和N210220以100％的置信度在燃烧 - 血浆中。这些对应于实验N210207的推断Qα≈1.4–1.6，实验N210220的Qα≈1.3–2.0。

　　在扩展数据表1和图2中讨论并介绍了几个用于评估这些内爆的指标。2，3。在每种情况下，通过度量（方法）在每个数量中传播每个数量的不确定性来计算燃烧 - 燃烧的可能性（方法），如在扩展数据表1中所讨论和总结的数字所示。数量地，我们看到前两个（N201101和N201122）在燃烧的情况下，除了bet bet net net-net net net net net net net net net net net net net net net net net net net net net net netime berime net net netcime，模拟的EPDV HS；最近的实验（N210207和N210220）绝对可能通过此阈值。定性地，通过使用多个独立指标，我们对这一结论的信心进一步增加了。

　　实现燃烧的血浆状态是朝着更大的“点火”目标和惯性融合中总体能量增益的关键进步。此处报告的融合产率（约0.17 MJ）低于输入激光能（约1.9 mJ），但几乎等于胶囊吸收能（给出约0.7-0.8），并且比输入能传递到融合燃料的输入能量大。此外，在两个高性能实验中产生的总融合功率（5MPα，Pα是每单位质量的功率）在Petawatt水平上（例如，N210207的总质量为1.6±0.2 PW）。

　　在燃烧的血浆状态下，自加热可以超越损失机制，其中包括Bremsstrahlung损失，导热率和负PDV在扩张后工作。在扩展数据表1中给出了四个实验的方法和值的简单表达式。在此处给出了四个实验的值。在这里，我们使用从数据中推断出的Bremsstrahlung增强因子FB≈1.151.15。前两个实验具有与辐射损失相当的自加热。一个重要的新制度是，当自加热能力（Pα）大于辐射（PB）和传导损耗（PE）时，即FαPα> Pb+PE，其中Fα是在热点中停止的α粒子的分数。黑色虚线在图3a中显示了该策略的轮廓。实验N210220接近进入该制度，我们推断出实验N210207以82％的可能性进入了该制度。这项工作中α加热的水平仍然不足点火所需的水平。

　　为了实现点火 - 定义为与约1 MJ融合产量37一致的产量扩增（Yamp≈20–30），然后是高增益 - 需要进步。图4在更大的点火环境，热点压力和能量的参数空间中显示了这些实验（图4，左），以及在没有α热（nα）的条件下，在实验中推断出“点火阈值”（ITFX）8,26,38（ITFX）8,26,38（ITFX）8,26,38（nα）（图4，右）。图4，右图绘制了此数量，该数量大致等于χNα，如先前定义的8。可以根据乘积P2EHS（相当于（ρRHSTI）3）或以ITFXNα或χNα≈1进行定性测量点火的接近点，代表点火。图4，左，显示了P2EHS相对于N210207的轮廓，表明该度量已从先前的结果中提高了几个。从图4中，我们清楚地看到，这四个实验是最接近点火开关的，但是ITFXNα从大约0.6→1中进一步增加。随着本文的最终确定，该系列的一项新实验在2021年8月8日产生了约1.35 MJ的融合产率，胶囊增益约为5个，打破了所有先前的记录。我们机构在新闻稿39中宣布了这一点；该实验将在未来的出版物中进行描述。

　　如补充论文6,7所述，这些实验具有清晰而特定的降解机制，可以缓解以进一步改善性能。More generally, the ICF programme at NIF is pursuing several approaches that can enable additional progress: reducing degradation mechanisms including low-mode asymmetry40,41,42 and radiative losses from mix35, further increasing energy coupled to the capsule4,30%) coupling efficiency designs for demonstrating central hot-spot ignition on the National Ignition Facility using a Frustraum.物理。等离子26，082707（2019）。“ href =” https://www.nature.com/articles/s41586-021-0421-04281-w#ref-cr43“ id =” id =“ ref-link-section-ref-link-section-d31472006e3946”> 43> 43> 43> 43，以及改进的燃料燃料的压缩。

　　总之，我们在实验室中产生了一种燃烧的血浆状态，在该状态下，血浆主要是自热的。这是在美国NIF的惯性融合内爆的完成的；以前的实验在燃烧等离子体的阈值以下。我们相对于先前的工作提高了胶囊尺度，提高了从激光能到胶囊的耦合效率，并使用新策略提高了受控内爆对称。已经进行了四个实验，这些实验已经通过了几个指标的燃烧等离子体的阈值，对最近的两个实验特别高信任。此外，性能最高的实验（N210207）处于更严格的状态，其中自动加热超过了辐射和传导所带来的能量损失。尽管由于ICF的固有效率低下，这些结果从系统中却缺乏总能量收益，但这些实验代表了朝着该目标的实质性步骤，该目标具有记录的参数值，这些参数值评估了我们在NIF上点燃的距离。除了在燃烧 - 血浆中的新物理学（例如α-粒子​​驱动的过程）外，美国惯性融合计划还将确定进一步提高性能的几种有希望的途径。