Simuleringer forklarer detonationsegenskaber i TATB

To forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har opdaget en ny mekanisme til antændelse af højeksplosive stoffer, der forklarer de usædvanlige detonationsegenskaber af 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 sikkerheds-energi-afvejninger.

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 samtidig at beskrive både initierings- og detonationsregimer. Dette indikerer manglende fysik i den grundlæggende forståelse af, hvilke processer der driver ufølsomme højsprængstoffer 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.

"Skæringsbånd forudsiges og observeres at dannes i mange sprængstoffer, men den kemiske betydning af deres dannelse er ikke velkendt, " sagde LLNL videnskabsmand Larry Fried, en af ​​avisens forfattere. På trods af denne usikkerhed, forskerne troede, at de havde et forspring til den manglende fysik.

Besvarelse af spørgsmål vedrørende den kemiske reaktivitet af forskydningsbånd krævede at vende sig til kvantebaseret molekylær dynamik (QMD) simuleringstilgange og højtydende databehandling. "Den største udfordring med QMD er, at det kun kan anvendes på små systemer, så vi udviklede en multiskala modelleringsteknik til at se på kemien af ​​forskydningsbånd og krystalområder i repræsentative volumenelementer, " forklarede Matt Kroonblawd, hovedforfatter på undersøgelsen.

Gennem skalaoverbygning med QMD, holdet fandt ud af, at uordnet materiale i forskydningsbånd bliver kemisk aktiveret. Båndene er dannet i stærkt chokeret TATB og reagerer 200 gange hurtigere end krystallen, som giver en fysisk forklaring på hvorfor ingeniørmodeller krævede empiriske "switching-funktioner" for at gå mellem stødinitiering og detonationssituationer.

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

Undersøgelsen vises i onlineudgaven den 22. maj af Fysiske anmeldelsesbreve .