Undersøgelse afslører robust ydeevne i ældet detonatorsprængstof

I en stor, statistisk signifikant, enestående undersøgelse, forskere ved Los Alamos National Laboratory har bekræftet, at sprængstoffet kaldet PETN (Pentaerythritol tetranitrat), stabiliseret med en polysaccharidbelægning, er modstandsdygtig over for ændringer i partikelform, størrelse, og struktur, der kan forringe detonatorens ydeevne over tid. Fordelene ved polysaccharidbelægning har længe været kendt og undersøgt af Los Alamos energiske materialeforskere.

"PETN er et almindeligt initierende sprængstof, der anvendes i vid udstrækning i kommercielle detonatorer og i det amerikanske nukleare lager, men batch-til-batch-variabilitet har gjort det svært for os endeligt at vise, hvordan det reagerer på aldring, " sagde Virginia Manner, en energisk materialekemiker ved Los Alamos og projektlederen for undersøgelsen.

Det hele begyndte med en simpel samtale mellem Manner og Daniel Preston for omkring tre år siden. På det tidspunkt, Preston var en forsknings- og udviklingsingeniør i Detonation Science and Technology-gruppen på Laboratoriet og kæmpede med, hvordan man laver en omfattende undersøgelse, der forbinder PETN-aldring med detonatorydelse.

"Så vi samlede adskillige grupper og afdelinger i Los Alamos for at skabe en meget storstilet undersøgelse, der ville afhjælpe alle de spørgsmål, vi og andre har haft om PETN-stabilitet, " sagde Manner.

Detonatorer er små enheder, der typisk bruges til at starte store sprængladninger. Disse stabile eksplosive materialer har brug for et "spark" for at igangsætte en eksplosion, en chokbølge over en bestemt hastighed og energi. En detonators opgave er at konvertere et indgangssignal, sædvanligvis elektrisk eller perkussiv, til en højtryksstødudgang. De er forpligtet til at gøre det med meget høj pålidelighed, nøjagtighed, og sikkerhed, selv efter mange års felttjeneste i ugunstige miljøer. Detonatordesignere stoler på eksplosive materialer, der kan overleve ældningseffekter med minimal indvirkning på ydeevnen.

Forskningen blev offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Drivmidler, Sprængstoffer, Pyroteknik . Mange undersøgelser er blevet udført om PETN-stabilitet under aldringsprocessen i løbet af de sidste 30 år på Los Alamos og andre institutioner, men udfordringer forbundet med produktionsvariabilitet og antallet af tilgængelige detonatorer hæmmede indsamlingen af ​​statistisk signifikante testdata.

For at løse dette dilemma behandlede forskerholdet en enkelt kilde til PETN (nok til at fylde 2, 000 detonatorer) med forskellige stabilisatorer, termisk ældet de resulterende detonatorer, analyserede pulverets egenskaber og testede detonatorfunktionen med en statistisk signifikant prøvestørrelse. Den forskning, der blev fremhævet i dette særlige papir, omfattede faktisk affyring af omkring 400 af disse detonatorer og andre afhøringer af materialet for bedre at forstå dets fysiske karakteristika.

"Vi fokuserede på fire partier af PETN-pulver fra samme lager ved at bruge to stabilisatorer, som har været anvendt i årtier, polysaccharid og TriPEON, " sagde Nick Lease, en videnskabsmand i Laboratoriets højeksplosive videnskabs- og teknologigruppe. Et polysaccharid er et stort molekyle lavet af simple sukkerarter, som glukose. TriPEON er kemikaliet tripentaerythritol octanitrat, en almindelig eksplosiv stabilisator.

Ifølge Geoff Brown, en anden samarbejdspartner, "PETN er lagret som et fritflydende pulver og i modificerede eksploderende brotrådsdetonatorer i en måned ved 75°C. Pulveret analyseres derefter kemisk ved hjælp af højopløsningsbilleddannelse samt partikelstørrelses- og overfladeanalyseteknikker."

Derudover "detonatorens ydeevne blev evalueret ved en række spændinger for at bestemme den nødvendige energi til at tænde detonatorerne, også kendt som tærskelspændinger. Tiden til output blev også målt, " sagde Nathan Burnside, en forsknings- og udviklingsingeniør i Detonation Science and Technology-gruppen.

Resultater fra undersøgelsen indikerer, at aldring signifikant ændrer overfladearealet og partikelstørrelsen af ​​ustabiliseret PETN, fører til stigninger i detonatorens funktionstid.

"Vi overvåger detonatorens sundhed gennem funktionstiden - den tid, det tager fra det første brokabelbrud i detonatoren, som initierer PETN, for i sidste ende at generere et stød i udgangsenden af ​​detonatoren. Denne begivenhed skal være så hurtig som muligt, og stigninger i tid indikerer eroderende detonatorsundhed, " sagde Preston.

Pulvere stabiliseret med TriPEON viste mindre signifikante stigninger i funktionstid, mens pulver stabiliseret med polysaccharid ikke udviste nogen ældningseffekt, på trods af den høje temperaturældning.

"Vi har vist, at PETN stabiliseret med en polysaccharidbelægning udviser ringe eller ingen ændring i pulverkarakteristika under ældning ved forhøjede temperaturer, i både fritflydende pulver såvel som presset til lavdensitet kommercielt fremstillede detonatorpiller, sagde Manner. Interessant nok, målte tærskelspændinger ser ikke ud til at være påvirket af den forgrovning, der opstår i pulveret under ældning, selv med det ustabiliserede pulver. Langsigtede undersøgelser er i gang for at afgøre, om dette vil fortsætte med at være en trend."

I en demonstration af laboratoriets forpligtelse til at levere på sin kerneopgave under den nuværende pandemi, dette projekt blev afsluttet under COVID-19-restriktioner. Fordi aldringsundersøgelsen var tidsfølsom, flere medlemmer af forskerholdet fik særlige godkendelser til at være på stedet, og arbejdede i laboratorier ved at bruge social distancering og masker, sammen med omhyggelig hygiejne. De udførte 25 til 50 eksplosive tests om dagen, demontering af cirka 30 detonatorer og billeddannelse af hundredvis af dele.

Der arbejdes videre med at udforske virkningerne af aldring over forskellige temperaturer og længere tidsskalaer. Holdet på Los Alamos er sammensat af forskere og ingeniører fra Explosives Science and Technology, Detonationsvidenskab og teknologi, Neutron videnskab og teknologi, og Nuklear Security Production Integration grupper.