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氘氘聚变难度大还是氘氚难度大?

  从物理角度看,当然是氘氚(D-T)聚变易于氘氘(D-D)聚变。否则我们也不会守着便宜的D不用,反而去研究昂贵的T了。

  造成这一点的主要原因,则是因为D-D聚变的反应截面太小,为了产生足够的聚变反应,需要更强的聚变约束能力(更高的温度、等离子体密度、约束时间,对技术的要求自然就要高上不少。

  两个原子核聚变在一起,靠的是强相互作用力。这个力的作用范围非常短,因此要把两个原子核凑得非常近才行。但两个带正电的原子核之间还存在作用范围很长的库伦排斥力。因此,要把反应物加热到千万摄氏度以上,才能通过热运动硬生生克服库伦斥力撞在一起,发生聚变反应。

  另外,除了要有足够温度提供动能,两个原子还需要瞄的足够准才能撞在一块。在微观领域,原子核本身的半径是可以忽略的,不同的核之间通过库仑力远距离排斥,所以两个原子核的碰撞其实是这样的:

  即使入射粒子的动能足够,但如果瞄准距离(上图中的p)太大,入射粒子就会直接掠过靶粒子,不足以发生聚变。

  因此,只有瞄准靶原子核周围一定横截面内撞击(下图中绿色圆内),才可能发生聚变,这个截面越大,聚变越容易。

  不同原子核之间的聚变反应截面是不一样的,导致同样的反应物浓度下,不同原子聚变的速率(反应系数)不一样:

  D-D聚变的反应系数低,也就意味着需要更高的温度(T)、约束时间(τ)和反应物浓度(n)才能实现能量净输出。这个T*τ*n的乘积的最低值称为劳森判据。

  劳森判据越高,聚变越难。在千万摄氏度温度范围内,D-D反应的劳森判据比D-T反应高了100倍左右(注意纵轴是对数坐标),对应的难度自然也大不少。

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