Afsløring af hemmelig struktur til sikrere sprængstoffer

Et team af forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har vist, at strukturen af ​​mikroskopiske porer i højeksplosive materialer kan påvirke ydeevne og sikkerhed betydeligt. Disse resultater —  offentliggjort for nylig som forsideartikel i tidsskriftet Drivmidler, Sprængstoffer, Pyroteknik —  åbne døren til muligheden for at tune højsprængstoffer ved at udvikle deres mikrostruktur.

"Det sjove ved sprængstoffer er, at de har disse små defekter og porer og huller, " sagde forsker Keo Springer, hovedforfatter på papiret og forsker ved LLNL's High Explosives Applications Facility. "Det viser sig, at det er en vigtig del af det, der får dem til at fungere. Eksplosiv ydeevne, i bred forstand, er ikke kun et kemispørgsmål, det er et spørgsmål om mikrostruktur."

I de fleste højeksplosive stoffer, detonation initieres gennem en proces, hvor porerne bliver komprimeret af en chokbølge. Når en pore kollapser, det skaber et hotspot, der er i stand til at igangsætte en kemisk reaktion i de mikroskopiske krystallinske korn af eksplosivt materiale. Denne forskning fokuserede på en eksplosiv forbindelse kaldet HMX, som er kendt for at være mere følsom og farligere at arbejde med end andre sprængstoffer. Det grundlæggende spørgsmål i denne undersøgelse var, om det gør en forskel, om porerne er placeret i det indre af kornene eller på deres overflade.

"Vi fandt ud af, at når der er porer på overfladen, de fremskynder reaktionen, " sagde Springer. "Vi opdagede også, at hvis en chokbølge rammer et antal overfladeporer på én gang, de bootstrapper hinanden. Det er en eksplosiv fest, og de fester godt sammen."

Ud over poreplacering, holdet undersøgte, om det gør en forskel, om porøsiteten er fordelt over mange små porer eller over færre større porer. Mens de viste, at mange små porer kan arbejde sammen for at fremskynde hinandens forbrænding, de var også i stand til at identificere en tærskel, hvor porerne bliver så små, at reaktionen slukkes.

Denne undersøgelse blev udført i en række numeriske simuleringer på LLNL supercomputere med multifysikkoden, ALE3D. Næste trin for forskerholdet—Springer, sammen med LLNL-forskerne Sorin Bastea, Al Nichols, Craig Tarver og Jack Reaugh – inkluderer at verificere, at de numeriske simuleringer fanger de virkelige fysiske og kemiske processer. En direkte måde at gøre det på er at udføre eksperimenter i mikroskala for at kvantificere porekollapsmekanismer og reaktivitet.

"Validering er den svære del, " sagde Springer. "Ideelt set, vi ville have brug for et rigtig godt forstørrelsesglas og evnen til at stoppe tiden. Vi taler om sub-mikron opløsning med en lukkerhastighed i størrelsesordenen nanosekunder. Det smarte er, at forskersamfundet begynder at arbejde på dette.

"Hvis vi kan konstruere initieringsegenskaber i mikrostrukturen af ​​sprængstoffer, det ville være en game changer for industrien og for sikkerheden af ​​det nukleare lagre. Men vi har en lang vej at gå for at realisere den vision. Denne type forskning er meget vigtig, men bare et af de første skridt."