Ett team av forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har visat att strukturen hos mikroskopiska porer i högexplosiva material kan avsevärt påverka prestanda och säkerhet. Dessa resultat —  publicerade nyligen som omslagsartikel i tidskriften Drivmedel, Explosiva varor, Pyroteknik —  öppna dörren till möjligheten att ställa in höga sprängämnen genom att konstruera deras mikrostruktur.

"Det roliga med sprängämnen är att de har dessa små defekter och porer och hål, " sa forskaren Keo Springer, huvudförfattare på uppsatsen och forskare vid LLNL:s High Explosives Applications Facility. "Det visar sig att det är en viktig del av det som får dem att fungera. Explosiv prestanda, i vidare mening, är inte bara en kemifråga, det är en mikrostrukturfråga."

I de flesta högexplosiva ämnen, detonation initieras genom en process där porerna komprimeras av en stötvåg. När en por kollapsar, det skapar en hotspot som kan initiera en kemisk reaktion i de mikroskopiska kristallina kornen av explosivt material. Denna forskning fokuserade på en explosiv förening som heter HMX, som är känt för att vara känsligare och farligare att arbeta med än andra sprängämnen. Den grundläggande frågan i grunden för denna studie var om det gör någon skillnad om porerna är belägna i det inre av kornen eller på deras yta.

"Vi fick reda på att när porerna är på ytan, de påskyndar reaktionen, " sa Springer. "Vi upptäckte också att om en stötvåg träffar ett antal ytporer samtidigt, de stövlar varandra. Det är en explosiv fest, och de festar bra tillsammans."

Förutom porplacering, teamet undersökte om det gör någon skillnad om porositeten är fördelad över många små porer eller över färre större porer. Samtidigt som de visade att många små porer kan samarbeta för att påskynda varandras förbränning, de kunde också identifiera en tröskel där porerna blir så små att reaktionen släcks.

Denna undersökning genomfördes i en serie numeriska simuleringar på LLNL superdatorer med multifysikkoden, ALE3D. Nästa steg för forskargruppen—Springer, tillsammans med LLNL-forskarna Sorin Bastea, Al Nichols, Craig Tarver och Jack Reaugh – inkluderar att verifiera att de numeriska simuleringarna fångar de verkliga fysiska och kemiska processerna. Ett direkt sätt att göra det är att utföra experiment i mikroskala för att kvantifiera porkollapsmekanismer och reaktivitet.

"Validering är den svåra delen, " sa Springer. "Helst, vi skulle behöva ett riktigt bra förstoringsglas och förmågan att stoppa tiden. Vi pratar om submikronupplösning med en slutartid i storleksordningen nanosekunder. Det som är snyggt är att forskarvärlden börjar arbeta med detta.

"Om vi ​​kan konstruera initieringsegenskaper i sprängämnens mikrostruktur, det skulle vara en game changer för industrin och för säkerheten för kärnkraftslagret. Men vi har en lång väg att gå för att förverkliga den visionen. Denna typ av forskning är mycket viktig, men bara ett av de första stegen."