Een team van wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) heeft aangetoond dat de structuur van microscopisch kleine poriën in explosieve materialen de prestaties en veiligheid aanzienlijk kan beïnvloeden. Deze bevindingen - onlangs gepubliceerd als het omslagartikel in het tijdschrift drijfgassen, explosieven, Pyrotechniek — open de deur naar de mogelijkheid om hoge explosieven af ​​te stemmen door hun microstructuur te ontwerpen.

"Het grappige van explosieven is dat ze deze kleine defecten en poriën en gaten hebben, " zei onderzoeker Keo Springer, hoofdauteur van de paper en onderzoeker bij LLNL's High Explosives Applications Facility. "Het blijkt dat dat een belangrijk onderdeel is van wat hen laat werken. Explosieve prestaties, in brede zin, is niet alleen een scheikundevraag, het is een microstructuurvraag."

In de meeste explosieven, detonatie wordt geïnitieerd door een proces waarbij poriën worden samengedrukt door een schokgolf. Wanneer een porie instort, het creëert een hotspot die een chemische reactie kan initiëren in de microscopisch kleine kristallijne korrels van explosief materiaal. Dit onderzoek richtte zich op een explosieve stof genaamd HMX, waarvan bekend is dat het gevoeliger en gevaarlijker is om mee te werken dan andere explosieven. De fundamentele vraag die aan de basis van deze studie lag, was of het verschil maakt of de poriën zich in het binnenste van de korrels of op hun oppervlak bevinden.

"We kwamen erachter dat wanneer poriën aan de oppervlakte zijn, ze versnellen de reactie, Springer zei. "We ontdekten ook dat als een schokgolf een aantal oppervlakteporiën tegelijk raakt, ze bootsen elkaar na. Het is een explosief feest, en ze feesten goed samen."

Naast de porielocatie, het team onderzocht of het verschil maakt of de porositeit wordt verdeeld over veel kleine poriën of over minder grotere poriën. Terwijl ze lieten zien dat veel kleine poriën kunnen samenwerken om elkaars verbranding te versnellen, ze waren ook in staat om een ​​drempel te identificeren waarbij de poriën zo klein worden dat de reactie uitdooft.

Dit onderzoek werd uitgevoerd in een reeks numerieke simulaties op LLNL-supercomputers met de multi-fysica-code, ALE3D. Volgende stappen voor het onderzoeksteam - Springer, samen met LLNL-wetenschappers Sorin Bastea, Al Nichols, Craig Tarver en Jack Reaugh - onder meer het verifiëren dat de numerieke simulaties de echte fysieke en chemische processen vastleggen. Een directe manier om dat te doen, is door experimenten op microschaal uit te voeren om de mechanismen en reactiviteit van de instorting van de poriën te kwantificeren.

"Validatie is het moeilijke deel, "Zei Springer. "Idealiter, we zouden een heel goed vergrootglas nodig hebben en de mogelijkheid om de tijd te stoppen. We hebben het over submicron resolutie met een sluitertijd in de orde van nanoseconden. Het leuke is dat de onderzoeksgemeenschap hieraan begint te werken.

"Als we initiatie-eigenschappen kunnen inbouwen in de microstructuur van explosieven, het zou een game changer zijn voor de industrie en voor de veiligheid van de nucleaire voorraad. Maar we hebben nog een lange weg te gaan om die visie te realiseren. Dit soort onderzoek is erg belangrijk, maar slechts een van de eerste stappen."