Simuleringer forklarer detonationsegenskaber i TATB

To Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har opdaget en ny mekanisme til antændelse af højeksplosiver, der forklarer de usædvanlige detonationsegenskaber ved 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzen (TATB).

Forskningen vil give mulighed for systematiske forbedringer af kontinuummekaniske modeller, der bruges til at vurdere materialets ydeevne og sikkerhed nøjagtigt og pålideligt.

Meget ufølsomme sprængstoffer tilbyder stærkt forbedrede sikkerhedsegenskaber i forhold til mere konventionelle sprængstoffer, men de fysiske egenskaber, der er ansvarlige for sikkerhedsegenskaberne, er ikke klare. Blandt sprængstoffer TATB er næsten unik i sine afvejninger mellem sikkerhed og energi.

Ingeniørmodeller til stødinitieringssikkerhed og detonationspræstationer af sprængstoffer er afhængige af fysikmodeller, der er centreret om dannelse og vækst af hot spots (lokale områder med forhøjet temperatur, der fremskynder kemiske reaktioner), der menes at styre disse reaktioner. Imidlertid, modeller for TATB baseret på hot spot -konceptet har hidtil ikke været i stand til samtidigt at beskrive både initierings- og detonationsregimer. Dette indikerer manglende fysik i den grundlæggende forståelse af, hvilke processer der driver ufølsomme højeksplosiver til at detonere.

For at afdække denne manglende fysik, holdet brugte supercomputersimuleringer, der involverede mange millioner atomer til at kigge på det materielle svar lige bag en detonationschokbølge. Hvad de fandt var den dynamiske dannelse af et kompliceret netværk af forskydningsbånd i materialet. Forskydningsbånd er lokale områder af meget uordnet materiale, der produceres, når materialet svigter under ekstreme belastninger. Selvom svaret ikke var helt uventet, det var uklart, hvad det indebar.

"Der forudsiges og observeres forskydningsbånd i mange sprængstoffer, men den kemiske betydning af deres dannelse er ikke velkendt, "sagde LLNL -forskeren Larry Fried, en af ​​forfatterne til papiret. På trods af denne usikkerhed, forskerne troede, at de havde et forspring i den manglende fysik.

Besvarelse af spørgsmål vedrørende forskydningsbånds kemiske reaktivitet krævede henvendelse til kvantebaserede molekylære dynamikker (QMD) simuleringsmetoder og højtydende computing. "Den største udfordring med QMD er, at den kun kan anvendes på små systemer, så vi udviklede en multiscale modelleringsteknik til at se på kemien i forskydningsbånd og krystalområder i repræsentative volumenelementer, "forklarede Matt Kroonblawd, hovedforfatter på undersøgelsen.

Gennem skala bro med QMD, teamet fandt ud af, at uordenbart materiale i forskydningsbånd bliver kemisk aktiveret. Båndene dannes i stærkt chokeret TATB og reagerer 200 gange hurtigere end krystallen, hvilket giver en fysisk forklaring på, hvorfor ingeniørmodeller krævede, at empiriske "skiftefunktioner" gik mellem stødinitiering og detonationssituationer.

Forskerne beskriver dette nyopdagede fænomen som "kemisk aktivering gennem forskydning, "hvilket fører til øgede reaktionshastigheder uden den lokale opvarmning, der typisk fremkaldes af hot spot -paradigmet. At fange denne reaktion i sprængstofmodeller vil forbedre deres fysiske grundlag og give mulighed for systematiske forbedringer for at vurdere ydeevne og sikkerhed mere præcist og pålideligt.

Forskningen vises i online -udgaven af Fysisk gennemgangsbreve .