Geum.ru

Энергетики

Вид материалаДокументы

Содержание


10.4.1. Твердые взрывчатые вещества (ВВ).
10.4.2. Жидкие взрывчатые вещества.
10.4.3. Газообразные взрывчатые веществаи объемно-детонирующие смеси.
10.4.4. Ядерный взрыв.
Фпвр: u238
10.4.5. Термоядерный взрыв.
10.5. Расчетные зависимости энергии взрыва.
Подобный материал:
1   ...   9   10   11   12   13   14   15   16   ...   31
10.4. Единый механизм взрыва.

^ 10.4.1. Твердые взрывчатые вещества (ВВ).

В твердом веществе, в том числе, во взрывчатом веществе (ВВ), в результате инициирующего воздействия от детонатора первоначально в малом объеме вещества образуется локальная зона с высокими параметрами (температура, давление), в которой подведенной энергии достаточно, чтобы произошло разрушение вещества на отдельные молекулы и атомы в виде плазмы.

В каждой такой зоне из точки начала реакции (эпицентра взрыва) пойдет детонационная волна. За волной давления следует волна разрежения. На фронте волны молекулы разрушаются на атомы вследствие высоких динамических параметров, превышающих предел прочности молекулы, а не разрушенные – активируются. В зоне разрежения молекула еще активирована, то есть имеет высокую температуру и давление, поэтому встречая внезапный резкий сброс давления распадается на атомы за счет разности давлений внутри и вне ее.

В плазме освобождающиеся электроны связи становятся свободными электронами – генераторами энергии по алгоритму, описанному для процесса горения. Электрон вырывает из атома мелкую частицу – электрино; электрино отдает избыток своей кинетической энергии соседним атомам путем контактного (ударного) и неконтактного (электродинамического) взаимодействия с ними. Эта энергия, примерно, на семь порядков превышает энергию возбуждения взрыва, и является его основной энергией. Часть энергии идет на самоподдержание реакции взрыва в детонационной волне; часть энергии затрачивается на механический разгон среды и продуктов взрыва, на создание и поддержание ударной и тепловой волны; часть энергии, затраченная на разрушение молекул, вновь возвращается при рекомбинации атомов в продукты реакции взрыва; часть энергии теряется на смешение продуктов взрыва с окружающим воздухом и на его нагрев.

Все стадии взрыва в твердом ВВ: инициация, разогрев и локальная газификация вещества, разлет молекул и образование фронта детонационной волны с высокими параметрами и зоны разрежения – вакуума, разрушение молекул на атомы, их распад на элементарные частицы с выделением энергии, рекомбинация атомов в продукты взрыва – происходят единовременно, почти мгновенно, на фронте детонационной волны, которая распространяется от эпицентра взрыва со скоростью 6...7 км/с.

Следует сказать, что до настоящего времени, согласно специальной литературе по физике взрыва, механизм его осуществления и выделения энергии был неясен и вообще отсутствовал и не разрабатывался, что затрудняло понимание физической сущности взрыва.

Более того, в результате анализа этой литературы создалось впечатление, что авторы, особенно Зельдович Я.Б., старательно обходили вопросы разработки физического механизма, довольствуясь эмпирической обработкой экспериментальных данных, но, не затрагивая интересы физиков или классической физики, которая в том виде как есть, не могла дать ответ на вопрос. Теперь наличие сути механизма взрыва должно способствовать его пониманию, совершенствованию способов предотвращения несанкционированных взрывов и практике защиты от поражающих факторов взрыва.

^ 10.4.2. Жидкие взрывчатые вещества.

В жидком веществе практически осуществляется тот же процесс локальных микровзрывов, что и в твердом веществе. Специфическим является то, что резкими колебаниями и сбросом давления, разгоном и растяжением жидкости создают нарушения ее сплошности. Проявляется это в возникновении и схлопывании пузырьков – режима, называемого кавитацией. Кавитация как режим предкипения жидкости возникает при соответствии температуры и давления параметрам насыщенного пара. Рост пузырька происходит постепенно, с затратой небольшой мощности. В то же время, схлопывание пузырька происходит почти мгновенно с выделением всей накопленной энергии в микроскопической зоне его расположения. Поэтому температура и давление возрастают на несколько порядков, что приводит к микровзрыву. Максимальные значения параметров: давление 1,46∙1023 атмосферы, температура 8,56∙107 К. А дальше все так же, как в твердом веществе: локальная газификация, распад молекул на атомы с освобождением электронов связи, инициация электронами – генераторами распада атомов на элементарные частицы с выделением энергии их связи в этих атомах; детонационная и ударная волны.

Процесс извлечения «избыточной» мощности на основе частичного атомного распада воды получен в теплогенераторах разного типа и описан в /1/. Нет препятствий для использования воды в качестве взрывчатого вещества. При этом, вследствие частичного распада и сохранения химических свойств, атомы вещества рекомбинируют в продукты реакции, образуя снова воду. Ввиду незначительного дефекта массы молекул воды он восстанавливается в природных условиях, чем обеспечивается экология, в том числе, отсутствие радиации.

^ 10.4.3. Газообразные взрывчатые вещества
и объемно-детонирующие смеси.

Известно, что при наличии в атмосферном воздухе горючих газов, жидкостей в виде аэрозолей и твердых веществ в виде пыли, может произойти взрыв. Экспериментальные исследования дают некоторую картину концентраций, приводящих к взрыву (см. таблицу 10.2.) /48/.

В газообразном веществе, в том числе, в объемно-детонирующих смесях (ОДС), происходит каскадная инициация взрыва. На первом такте каким-либо образом, например, при аварии трубопровода или в результате взрыва распыляется в воздухе топливо (жидкое, твердое или газообразное). На втором такте, в распыленное в воздухе топливо, как газообразное ВВ в виде полусферического облака подрывается вторым инициирующим воздействием (искра, удар, взрыв, ЭМИ,...).

В газообразном веществе, в том числе, в объемно-детонирующих смесях (ОДС), происходит каскадная инициация взрыва. На первом такте каким-либо образом, например, при аварии трубопровода или в результате взрыва распыляется в воздухе топливо (жидкое, твердое или газообразное). На втором такте, в распыленное в воздухе топливо, как газообразное ВВ в виде полусферического облака подрывается вторым инициирующим воздействием (искра, удар, взрыв, ЭМИ,...).


Таблица 10.2.
Вещество
Мах плот-ность, при которой возможен взрыв, г/м3
Мin температура зажигания, °С
Мах давление, МПа
Мах скорость роста давления, МПа/с

1.
Алюминий * (стружка)
45
610
0,88
138

2.
Стеарат кальция
25
400
0,67
69

3.
Целлюлоза
45
410
0,81
55,2

4.
Уголь
55
610
0,62
15,9

5.
Кофе (быстрорастворимый)
150
490
0,44
3,8

6.
Пробка
35
400
0,67
51,8

7.
Эпоксидный клей
12
490
0,54
90,2

8.
Мука
40
390
0,71
14,1

9.
Железо
200
510
0,33
14,5

10.
Магний
30
560
0,80
103,5

11.
Нейлон
30
500
0,66
27,6

12.
Мыло
20
430
0,54
19,4

13.
Сера
20
190
0,54
32,4

14.
Титан
45
330
0,59
75,9

15.
Пшеничная мука
50
380
0,76
25,6

16.
Пшеничный крахмал
45
430
0,69
44,9

17.
Древесина
нет данных
360
0,62
39,3


* Это добавка всего 1 % электронов на 1 м3 воздуха.

Механизм взрыва газообразного ВВ такой же как твердого и жидкого ВВ, аналогичный описанному механизму горения топлива, если энергии возбуждения взрыва достаточно для распада не только молекул кислорода, но и азота, последний так же участвует во взрыве не как балласт, а как равноправный реагент. В газовом облаке взрыв начинается с дефлаграционного горения. Фронт горения, распространяясь сферически, разгоняется за счет самообеспечения энергией до скорости порядка 2 км/с, как правило, не превышающей скорости свободного движения молекул в газе. И тогда возникает детонационное горение и детонационная волна. В облаке диаметром менее 5 м фронт горения не успевает разогнаться до нужной скорости и детонация – взрыв не происходит, но облако выжигается: на этом основан один из методов защиты.

Усиление параметров плазмы для осуществления распада азота может быть достигнуто за счет увеличения энергоподвода во фронте взрыва добавками более энергичного топлива и взрывчатого вещества. Именно этим можно объяснить повышение параметров взрыва обычной ОДС с 2 до 40 МПа. Добавки дают локальные микрозоны плазмы с высокими параметрами, достаточными для разрушения молекул азота на атомы и их участие в процессе энерговыделения при взрыве. При этом собственных электронов связи достаточно для частичного распада азота и кислорода воздуха с повышенным энерговыделением, но без радиации. В качестве продуктов взрыва азота воздуха образуются преимущественно водяной пар, а также – мелкодисперсный графит; если не весь азот прореагировал, то – его остатки и углекислый газ. При избытке электронов в облаке ОДС за счет какого-либо постороннего источника азот и кислород воздуха будут испытывать более полный распад на элементарные частицы с выделением существенно большей (на несколько порядков) энергии взрыва.

^ 10.4.4. Ядерный взрыв.

Рассмотрим ФПВР урана /2/. Почему уран – 238 не пригоден для ядерного горючего? Традиционный ответ: «потому что коэффициент размножения меньше единицы не обеспечивает реакцию выделения» – не объясняет физическую причину этого.

Превращение урана – 238 в уран – 235 происходит в результате частичного

^ ФПВР: U238 → U235 + Зnе +3пэ, где nе, nэ – число электронов и электрино в одном нуклоне (нейтроне) атома, в частности, урана. Отсюда следует, что три нуклона атома урана – 238 подверглись полному расщеплению электроном – генератором, в роли которого выступает свободный электрон. Электрон – генератор работает в кристаллической структуре урана, взаимодействуя с четырьмя атомами ближайшего окружения и находясь в их межатомном пространстве. Электрино в количестве Зпэ штук покидают место события со скоростью 1014...1016 м/с в виде γ – излучения, производя попутно частичное разрушение атомов. Такой ФПВР, охвативший четыре атома, расщепил 4 × 3 = 12 нейтронов с высвобождением 12 × nе = 36 свободных электронов.

Часть высвобождаемых электронов уходит в пространство вместе с γ –излучением, остальная (большая) часть захватывается положительными электрическими полями атомов вещества. Теперь уже уран – 235 отличается от урана – 238 не только атомной массой, но и наличием избыточных свободных неструктурных электронов, имеющих сравнительно слабое механическое крепление с атомами ввиду дебаланса электрических зарядов. Такой атом, образно говоря, находится на взводе: достаточно малейшего внешнего воздействия на него, чтобы один из его свободных электронов сорвался в межатомное пространство и начал новый акт ФПВР.

Теперь для начала ядерной реакции уран – 235 нужно скомпоновать в виде сферы критического диаметра и массы. В результате ФПВР в зоне реакции – геометрическом центре сферы формируется полость «выгоревшего» топлива. По мере развития реакции генерируемое γ – излучение беспрепятственно покидает не только пределы полости ядерного заряда, но и пределы объема тары ввиду прозрачности для него стенок корпуса. Число электронов возрастает в геометрической прогрессии, поскольку в этот период каждый электрон, реагируя с одним нейтроном, освобождает три структурных электрона, то есть коэффициент размножения равен трем, что достаточно для поддержания ФПВР. Высвобождающиеся электроны не в состоянии все покинуть полость заряда. Силы взаимного отталкивания электронов столь высоки, что возникает колоссальное давление (4,07∙1011 атм.), которое разрывает заряд и тару, и электроны вырываются наружу, расщепляя азот и кислород атмосферного воздуха. В этом случае, при избытке электронов, воздух становится дополнительным ядерным взрывчатым веществом, часть которого претерпевает полный распад на элементарные частицы, сопровождаемый всеми видами излучений (α, β, γ и нейтронного).

Только частичный распад воздуха в естественных условиях, без избытка электронов в плазме, позволяет избежать радиации и иметь нерадиоактивные продукты горения, в том числе, взрыва, как быстрого горения, например, в цилиндрах ДВС.

Следует отметить, что выгорает только 23% ядерного топлива, а остальная часть заряда разрывается на кусочки и впрессовывается в корпус. Происходит это потому, что в ФПВР участвуют только те электроны, которые находятся в контакте со стенкой полости заряда. Все остальные – отлучены от своего прямого назначения, так как им уже нечего расщеплять. Кристаллическая структура мешает ядерной реакции с достаточной скоростью распространяться от центра заряда в радиальном направлении, чтобы беспрерывно подключались к работе новые свободные электроны. За пределами выгоревшей полости для продолжения распада урана вещество должно находиться в жидком или газообразном состоянии. Этому условию отвечает, в частности, водородная бомба, а также облако объемно-детонирующей смеси.

^ 10.4.5. Термоядерный взрыв.

Итак, в водородной бомбе при термоядерном взрыве выгорает 100% смеси дейтерия и трития. Но в ней, как и во всех энергетических процессах, идет их расщепление, а не синтез гелия. Именно поэтому нет никакого прогресса в освоении термоядерного синтеза для получения электроэнергии, что энергетические устройства проектируются по ошибочной теории.

Полученные выше результаты можно отнести к урановому заряду водородной бомбы. Итак, расщепление уранового заряда прервалось и электронный газ вырвался на новый оперативный простор. Если термоядерным горючим служила смесь дейтерия и трития, то можно сказать, что все 2∙1028 электронов равномерно распределились в объеме водородной бомбы и каждый электрон стал началом цепной реакции с коэффициентом размножения равным трем. Повторяется тот же процесс, что и в центре уранового заряда, но с теми отличиями, что здесь нет лимитирующего фактора в распространении ФПВР на всю массу термоядерного горючего. Именно поэтому выгорает вся масса ядерного горючего – все 100%. По ходу развития процесса ФПВР электрино покидают объем бомбы в виде γ –излучения, а все высвобождающиеся электроны накапливаются в нем. И опять электронный газ создает высокое напряжение (давление) по всему объему бомбы, разрывает корпус и выходит на новый оперативный простор. При этом все накопленное количество электронов приступает к расщеплению азота и кислорода воздуха. ФПВР в атмосферном воздухе гаснет, в основном, за счет связывания электронов в отрицательно заряженные ионы воздуха, значительная часть которых становится радиоактивной.

Интересно почувствовать масштаб дополнительной мощности от взрыва воздуха при термоядерном взрыве. По воспоминаниям Славского из газет известно, что при взрыве водородной бомбы мощностью 58 Мт по тротиловому эквиваленту на Новой Земле в радиусе 20 км испарился лед 3-х метровой толщины. После несложного подсчета видно, что только на испарение этого льда затрачено энергии в 50 раз больше, чем указанная мощность бомбы. Ясно, что эта цифра оценочная и она многое не учитывает; в открытой литературе встречаются данные о том, что при разных термоядерных взрывах дополнительная энергия участвующего во взрыве воздуха на 2...3 порядка выше расчетной мощности термоядерной бомбы.

Что касается синтеза атомов и молекул, то действительно при этом выделяется энергия. Однако, она на 20 порядков меньше, чем энергия распада вещества той же массы на элементарные частицы и обусловлена частичным распадом атомов при их сближении, а не синтезом. Тогда электроны – «склейщики» молекулы за краткий миг успевают «раздеть» атомы, сняв с них несколько электрино с выделением энергии, которую и считают энергией синтеза. Поэтому и теоретически и практически энергия выделяется только при распаде вещества, как аккумулятора энергии, на элементарные частицы.

^ 10.5. Расчетные зависимости энергии взрыва.

10.5.1. Лазерный взрыв.

Наряду с детонирующим воздействием лазерное излучение является мощным средством инициирования взрыва. Это объясняется высокой концентрацией энергии в лазерном луче. Поэтому в фокусе луча происходят взрывы воздуха, сопровождаемые свечением области взрыва.

Некоторые представления о параметрах взрыва можно получить в результате энергетической оценки импульса реального неодимового лазера с энергией излучения 600 Дж за 2 мкс.

Оценка энергии инициированного лазером взрыва атмосферного воздуха.

1. Реакция взрыва.

компоненты продукты

воздуха реакции
N2 + О2 → Н2О + С + О2

1) Не зная точно количества С и О2 , примем С → 0
О2 → 0

2) Это означает, что азот воздуха разлагается на Н и О и реакция образования воды идет нацело: 2Н + О = Н2О (из 1 кг воздуха получается 1 кг воды /пара/).

2. Теплота реакции известна QН = 121 МДж/кг (водорода).

3. Объем взрыва Vвзр. ~2 л.

Масса воздуха Gвз = ρвз × Vвз = 1,2 × 0,002 = 0,0024 кг.

4. Количество водорода, получающегося из этого воздуха (по соотношению атомных весов в Н2О → водорода 1/9):

G н = (1 / 9)Gвз = = 0,000267 кг водорода

5. Теплота реакции, отнесенная к объему взрыва:

Qвзр= Qн×Gн = 121×0,000267 = 0,0322 МДж (32,2 кДж)

(получено в 32200/600 = 54 раз больше, чем затрачено неодимовым лазером /600 Дж/).

6. Теплота реакции, отнесенная к 1 кг воздуха:

МДж/кг воздуха

7. Теплота реакции, отнесенная к 1 кг топлива (на 1 кг органического топлива требуется ~15 кг воздуха):
Qт = 15Qвозд. = 15 × 13,5 = 200 МДж/кг топлива (~в 5 раз больше, чем Q бензина).

8. Мощность взрыва (при скорости детонации ~6 км/с и радиусе облака ~10 см):

- время взрыва τвз = = 0,0000166 с = 16,6 мкс;

- мощность взрыва Nвз = Qвзр./τвз = 0,032200∙106/ 16,6 = 1940 МВт – = 1,94ГВт

(Мощность импульса лазерa (τл = 2 мкс) Nл = ∙106=
= 300 МВт = 0,3 ГВт).

9. Температура в облаке взрыва (из условия 90% тепла – на нагрев, остальное –на ионизацию)

Евз = Т0 + К (средняя)

10. Давление.

Среднее давление Рвз = Qвз / Vвз = 32200 Дж/0,002 м3 = = 16100000 Дж/м3 (Па) =16,1 МПа(161 атм.). Давление в эпицентре Рэ 350...400 атм.

11 . Удельная мощность инициирующего воздействия лазера.

Толщина луча в фокусе dΛ 1 мм;

объем зоны инициации VΛ = dΛ3 = 1 мм3 = 10-9м3.

Удельная мощность qΛ =

(Удельная теплоемкость при взрыве, например, бензина в воздухе составляет ориентировочно 50 ГВт/м3, что на 8 порядков уступает удельной мощности лазерного луча в его фокусе).