I en stor, statistiskt säkerställt, enastående studie, Forskare vid Los Alamos National Laboratory har bekräftat att sprängämnet som kallas PETN (Pentaerytritoltetranitrat), stabiliserad med en polysackaridbeläggning, är resistent mot förändringar i partikelform, storlek, och struktur som kan försämra detonatorns prestanda över tid. Fördelarna med polysackaridbeläggning har länge varit kända och studerade av Los Alamos energiska materialforskare.

"PETN är ett vanligt initierande sprängämne som används flitigt i kommersiella detonatorer och i det amerikanska kärnkraftslagret, men variabilitet från batch-till-batch har gjort det svårt för oss att definitivt visa hur det reagerar på åldrande, sa Virginia Manner, en energisk materialkemist vid Los Alamos och projektledaren för studien.

Allt började med ett enkelt samtal mellan Manner och Daniel Preston för ungefär tre år sedan. Just då, Preston var en forsknings- och utvecklingsingenjör i Detonation Science and Technology-gruppen vid laboratoriet och brottades med hur man skapar en omfattande studie som kopplar samman PETN-åldring med detonatorprestanda.

"Så vi sammanförde flera grupper och divisioner i Los Alamos för att skapa en mycket storskalig studie som skulle ställa alla frågor vi och andra har haft om PETN-stabilitet, sa Manner.

Sprängkapslar är små enheter som vanligtvis används för att initiera stora sprängladdningar. Dessa stabila explosiva material behöver en "kick" för att initiera en explosion, en stötvåg över en viss hastighet och energi. En detonators uppgift är att omvandla en insignal, vanligtvis elektriska eller perkussiva, till en högtrycksstötutgång. De måste göra det med mycket hög tillförlitlighet, noggrannhet, och säkerhet, även efter år av fälttjänst i svåra miljöer. Detonatordesigners förlitar sig på explosiva material som kan överleva åldringseffekter med minimal påverkan på prestandan.

Forskningen publicerades i den vetenskapliga tidskriften Drivmedel, Explosiva varor, Pyroteknik . Många studier har utförts på PETN-stabilitet under åldringsprocessen under de senaste 30 åren vid Los Alamos och andra institutioner, men utmaningar förknippade med produktionsvariabilitet och antalet tillgängliga detonatorer hindrade insamlingen av statistiskt signifikanta testdata.

För att lösa detta dilemma behandlade forskargruppen en enda källa till PETN (tillräckligt för att fylla 2, 000 detonatorer) med olika stabilisatorer, termiskt åldrade de resulterande detonatorerna, analyserade pulvrets egenskaper och testade detonatorfunktionen med en statistiskt signifikant provstorlek. Forskningen som lyfts fram i den här artikeln inkluderade faktisk avfyring av cirka 400 av dessa sprängkapslar och andra förhör av materialet för att bättre förstå dess fysiska egenskaper.

"Vi fokuserade på fyra partier av PETN-pulver från samma lager med två stabilisatorer som har använts i decennier, polysackarid och TriPEON, sa Nick Lease, en vetenskapsman i laboratoriets högexplosiva vetenskaps- och teknikgrupp. En polysackarid är en stor molekyl gjord av enkla sockerarter, som glukos. TriPEON är kemikalien tripentaerytritoloktanitrat, en vanlig explosiv stabilisator.

Enligt Geoff Brown, en annan medarbetare, "PETN åldras som ett fritt rinnande pulver och i modifierade sprängkapslar med exploderande bryggtråd i en månad vid 75°C. Pulvret analyseras sedan kemiskt med hjälp av högupplöst bildbehandling samt partikelstorleks- och ytareaanalystekniker."

Dessutom, "sprängkapselns prestanda utvärderades vid ett antal spänningar för att bestämma energin som behövs för att tända sprängkapslarna, även känd som tröskelspänningar. Tiden till produktion mättes också, sa Nathan Burnside, en forsknings- och utvecklingsingenjör i gruppen Detonation Science and Technology.

Resultat från studien indikerar att åldrandet signifikant förändrar ytarean och partikelstorleken för ostabiliserat PETN, vilket leder till ökningar av detonatorns funktionstid.

"Vi övervakar sprängkapselns tillstånd genom funktionstid – den tid det tar från det första bryggtrådsbrottet i sprängkapseln, som initierar PETN, för att slutligen generera en stöt vid sprängkapselns utgångsände. Denna händelse bör vara så snabb som möjligt, och ökningar i tid indikerar urholkande detonatorhälsa, sa Preston.

Pulver stabiliserade med TriPEON visade mindre signifikanta ökningar i funktionstid, medan pulver stabiliserat med polysackarid inte uppvisade några åldrande effekter, trots den höga temperaturen åldrande.

"Vi har visat att PETN stabiliserat med en polysackaridbeläggning uppvisar liten eller ingen förändring i pulveregenskaper under åldring vid förhöjda temperaturer, i både friflytande pulver och pressat till kommersiellt framställda detonatorpellets med låg densitet, sade Manner. Intressant nog, uppmätta tröskelspänningar verkar inte påverkas av den förgrovning som sker i pulvret under åldrandet, även med det ostabiliserade pulvret. Långsiktiga studier pågår för att avgöra om detta kommer att fortsätta att vara en trend."

I en demonstration av laboratoriets engagemang att leverera på sitt kärnuppdrag under den pågående pandemin, detta projekt slutfördes under covid-19-restriktioner. Eftersom åldrandestudien var tidskänslig, flera medlemmar i forskargruppen fick särskilda godkännanden att vara på plats, och arbetade i labb med social distansering och masker, tillsammans med noggrann hygien. De utförde 25 till 50 explosiva tester per dag, demontering av cirka 30 detonatorer och avbildning av hundratals delar.

Ytterligare arbete pågår för att utforska effekterna av åldrande över olika temperaturer och längre tidsskalor. Teamet på Los Alamos består av forskare och ingenjörer från Explosives Science and Technology, Detonationsvetenskap och teknik, Neutronvetenskap och teknik, och Nuclear Security Production Integration grupper.