In een grote, statistisch significant, unieke studie, onderzoekers van Los Alamos National Laboratory hebben bevestigd dat het explosief genaamd PETN (pentaerythritoltetranitraat), gestabiliseerd met een polysacharide coating, is bestand tegen veranderingen in deeltjesvorm, maat, en structuur die de prestaties van de detonator in de loop van de tijd kunnen verslechteren. De voordelen van polysacharidecoating zijn al lang bekend en bestudeerd door energetische materiaalwetenschappers van Los Alamos.

PETN is een veelvoorkomend explosief dat op grote schaal wordt gebruikt in commerciële ontstekers en in de Amerikaanse nucleaire voorraad. maar de variabiliteit van batch tot batch heeft het voor ons moeilijk gemaakt om definitief aan te tonen hoe het reageert op veroudering, " zei Virginia Manier, een energetisch materiaalchemicus bij Los Alamos en de projectleider van het onderzoek.

Het begon allemaal met een eenvoudig gesprek tussen Manner en Daniel Preston ongeveer drie jaar geleden. Destijds, Preston was een onderzoeks- en ontwikkelingsingenieur in de Detonation Science and Technology-groep van het laboratorium en worstelde met het maken van een uitgebreid onderzoek dat PETN-veroudering verbindt met detonatorprestaties.

"Dus hebben we verschillende groepen en divisies in Los Alamos samengebracht om een ​​zeer grootschalige studie te maken die alle vragen zou wegnemen die wij en anderen hebben gehad over de stabiliteit van PETN, " zei Manier.

Ontstekers zijn kleine apparaten die doorgaans worden gebruikt om grote explosieve ladingen te initiëren. Deze stabiele explosieve materialen hebben een "kick" nodig om een ​​explosie te veroorzaken, een schokgolf boven een bepaalde snelheid en energie. De taak van een detonator is het omzetten van een ingangssignaal, meestal elektrisch of percussief, in een hogedrukschokuitgang. Ze moeten dit doen met een zeer hoge betrouwbaarheid, nauwkeurigheid, en veiligheid, zelfs na jaren van velddienst in ongunstige omgevingen. Ontwerpers van ontstekers vertrouwen op explosieve materialen die verouderingseffecten kunnen overleven met een minimale impact op de prestaties.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift drijfgassen, explosieven, Pyrotechniek . Er zijn de afgelopen 30 jaar in Los Alamos en andere instellingen veel onderzoeken uitgevoerd naar de stabiliteit van PETN tijdens het verouderingsproces, maar uitdagingen in verband met productievariabiliteit en het aantal beschikbare ontstekers belemmerden het verzamelen van statistisch significante testgegevens.

Om dit dilemma op te lossen, behandelde het onderzoeksteam een ​​enkele bron van PETN (genoeg om 2, 000 ontstekers) met verschillende stabilisatoren, de resulterende ontstekers thermisch verouderd, analyseerde de poederkenmerken en testte de detonatorfunctie met een statistisch significante steekproefomvang. Het onderzoek dat in dit specifieke artikel wordt benadrukt, omvatte het daadwerkelijk afvuren van ongeveer 400 van deze ontstekers en andere ondervragingen van het materiaal om de fysieke kenmerken ervan beter te begrijpen.

"We hebben ons gericht op vier batches PETN-poeder uit dezelfde voorraad met behulp van twee stabilisatoren die al tientallen jaren worden toegepast, polysacharide en TriPEON, " zei Nick Lease, een wetenschapper in de High Explosives Science and Technology-groep van het laboratorium. Een polysacharide is een groot molecuul gemaakt van eenvoudige suikers, zoals glucose. TriPEON is het chemische tripentaerythritol octanitraat, een gemeenschappelijke explosieve stabilisator.

Volgens Geoff Brown, een andere medewerker, "Het PETN wordt gerijpt als een vrij stromend poeder en in gemodificeerde ontploffende draadontstekers gedurende een maand bij 75 ° C. Het poeder wordt vervolgens chemisch geanalyseerd met behulp van beeldvorming met hoge resolutie en analysetechnieken voor deeltjesgrootte en oppervlakte."

Aanvullend, "detonatorprestaties werden geëvalueerd bij een reeks spanningen om de energie te bepalen die nodig is om de detonators te ontsteken, ook wel drempelspanningen genoemd. De tijd tot uitvoer werd ook gemeten, " zei Nathan Burnside, een onderzoeks- en ontwikkelingsingenieur in de Detonation Science and Technology-groep.

Bevindingen uit de studie geven aan dat veroudering het oppervlak en de deeltjesgrootte van niet-gestabiliseerd PETN aanzienlijk verandert, wat leidt tot een toename van de detonatorfunctietijd.

"We monitoren de gezondheid van de detonator door middel van functietijd - de tijd die nodig is vanaf de eerste breuk van de brugdraad in de detonator, die het PETN initieert, om uiteindelijk een schok te genereren aan de uitgang van de detonator. Deze gebeurtenis moet zo snel mogelijk plaatsvinden, en toenames in de tijd duiden op een afnemende gezondheid van de detonator, ' zei Preston.

Poeders gestabiliseerd met TriPEON vertoonden minder significante toenames in functietijd, terwijl poeder gestabiliseerd met polysaccharide geen verouderingseffecten vertoonde, ondanks de hoge temperatuur veroudering.

"We hebben aangetoond dat PETN gestabiliseerd met een polysacharidecoating weinig tot geen verandering in poedereigenschappen vertoont tijdens veroudering bij verhoogde temperaturen, in zowel vrijstromend poeder als geperst tot commercieel bereide detonatorpellets met lage dichtheid, "zei Manier. "Interessant, gemeten drempelspanningen lijken niet te worden beïnvloed door de verruwing die optreedt in het poeder tijdens veroudering, zelfs met het ongestabiliseerde poeder. Er zijn onderzoeken op langere termijn aan de gang om te bepalen of dit een trend zal blijven."

Als demonstratie van de toewijding van het Laboratorium om zijn kernmissie tijdens de huidige pandemie uit te voeren, dit project werd voltooid onder COVID-19-beperkingen. Omdat het verouderingsonderzoek tijdgevoelig was, verschillende leden van het onderzoeksteam kregen speciale goedkeuringen om ter plaatse te zijn, en werkte in laboratoria met behulp van sociale afstand en maskers, samen met zorgvuldige hygiëne. Ze voerden 25 tot 50 explosietesten per dag uit, het demonteren van ongeveer 30 ontstekers en het in beeld brengen van honderden onderdelen.

Er wordt verder gewerkt aan het onderzoeken van de effecten van veroudering bij verschillende temperaturen en langere tijdschalen. Het team van Los Alamos bestaat uit wetenschappers en ingenieurs van de Explosieven Wetenschap en Technologie, Detonatiewetenschap en -technologie, Neutronenwetenschap en -technologie, en Nuclear Security Production Integration-groepen.