Взрывы

1 ВЗРЫВЫ

Изучение курса теории горения и взрыва начнем с рассмотрения взрывных процессов, т. е. тех процессов, которые соответствуют определению взрыва в широком смысле.

Под взрывом, как уже упоминалось в материале установочной лекции, имеем в виду быстрое выделение энергии в ограниченном пространстве. Из взрывов самым сильным был, конечно, создавший всю видимую Вселенную так называемый Большой взрыв, от центра которого до сих пор разбегаются все галактики. Затем идут взрывы Сверхновых и прочие космические катастрофы. На Земле крупнейший взрыв был, по-видимому, 65 млн лет назад при падении на полуостров Юкатан крупного метеорита или астероида (диаметр оценивается в 10 км). При этом возник кратер Чикскулуб диаметром 200 км, а пыли было поднято взрывом столько, что несколько лет на всей Земле был холод, и именно тогда вымерли динозавры (см., например, [1]). Из рукотворных взрывов отметим только один из числа тех, которые не планировались. В немецком городе Оппау на складе химического завода взрывами дробили слежавшуюся смесь удобрений – аммиачной селитры и сернокислого аммония. Считалось, что такая смесь не способна детонировать, и около 2000 дроблений подрывами прошли благополучно, но после очередного подрыва 21.09.1921 г. на месте склада образовалась выемка размером 165´100´20 м.

Далее мы исключаем из рассмотрения «предсказуемые» взрывы, чем-либо инициированные (детонатором, искрой, ударом), и обсудим с разной степенью подробности только «наиболее коварные», происходящие как бы без видимой причины, а точнее – вызванные нарушением равновесия при медленном изменении внешних условий. Будут рассмотрены механические взрывы (землетрясения), взрывной фазовый переход (кристаллизация переохлажденной жидкости, вскипание перегретой жидкости и перегретого кристаллогидрата), «несанкционированный» ядерный взрыв, тепловой взрыв экзотермически реагирующего вещества – адиабатический и с теплоотводом, тепловой взрыв в проточном химическом реакторе, электрический пробой диэлектриков, тепловой взрыв при спекании инертного металлического порошка.

1.1  Землетрясение как аналог скрипа дверной петли

Рассмотрим «под микроскопом» две трущиеся поверхности, например, относящиеся к элементам дверной петли (рис. 3). Нижний элемент неподвижен, на верхний действуют прижимающая и сдвигающая силы, обеспечивающие контакт и непрерывное движение. Рассматривая локальную картину в зоне контакта, легко понять, что здесь по мере движения верхней части устройства (петли) нижний и верхний микровыступы входят в контакт, упруго деформируются и через некоторое время резко, «со щелчком», выходят из контакта (а он при этом благодаря непрерывному действию прижимающей силы возобновляется где-то в другом месте). Неодинаковость скоростей входа в контакт и выхода из него вызвана небольшим упругим «наклоном» выступов при деформации. Легче всего это понять на примере выступов в виде тонких упругих пластинок, «торчащих» из соответствующего элемента. Таким образом, после завершения каждого контакта по обоим элементам распространяется вызванное «щелчком» упругое возмущение. А поскольку контактов много и происходят они часто, совокупность элементарных «щелчков» мы воспринимаем как звук, а точнее – скрип.

Эта же физическая картина пригодна для описания процессов в районе наползания одной тектонической плиты на другую. Разница только в масштабах и в скорости сдвига. Кроме того, в геологическом процессе деформации не чисто упругие, а упругопластические. Тем не менее упругая составляющая есть, потенциальная энергия упруго деформированных выступов плит велика, и «щелчок» быстрого ее высвобождения и есть землетрясение.

Рисунок 3 – Сдвиг прижимаемых негладких поверхностей

1.2  Скачкообразный выход из метастабильного состояния

Метастабильным называется условно устойчивое состояние вещества, из которого оно может быть необратимо выведено достаточно сильным возмущением. При этом вещество переходит в равновесное (безусловно устойчивое) состояние, к которому в дальнейшем оно снова возвращается после любых возмущений.

Взрывное вскипание жидкости. Известно, что температура кипения жидкостей зависит (положительно) от давления. Известно также, что в достаточно чистой посуде при атмосферном давлении можно перегреть воду до температуры заметно выше 100 оС. Если в такую воду внести «возмущение конечной величины», например, всыпать чай или сахар, то вода бурно вскипает, частично переходя в равновесное (парообразное) состояние. Но если, не внося специально никаких возмущений, продолжить перегрев воды, в конце концов она взорвется (часть ее быстро превратится в пар) без видимой причины, потому что по мере повышения температуры для разрушения метастабильного состояния требуются возмущения (неоднородности) все меньшей величины, и все больше шансов, что они в этой воде найдутся. Важно понимать, что взрыв перегретой воды по разрушительным последствиям сопоставим со взрывом такой же массы традиционной промышленной взрывчатки, поскольку сравнима важнейшая характеристика взрыва – масса образовавшегося газа. Перегретые жидкости используются в различных технических устройствах и процессах.

В метастабильном перегретом состоянии вода (даже холодная) может оказаться и в результате быстрого снижения давления, например, при обтекании некоторых участков поверхности гребного винта. Непроизвольный переход в равновесное состояние (пар) в этом случае называется кавитацией, и создаваемые ею проблемы широко известны.

Взрывная газификация кристаллогидратов. В 1960-х годах сейсмическая служба США зарегистрировала вблизи советского побережья Ледовитого океана подводный взрыв большой силы. Впоследствии выяснилось, что в результате этого взрыва возник небольшой остров (размером около 1 км). Правительство США обвинило тогда СССР в проведении запрещенного международными соглашениями подводного испытания ядерного оружия. Но причина взрыва оказалась другой. Примерно в те же годы наши геологи доказали, что почти всюду в мировом океане в определенном интервале глубин (в районе шельфов) находятся залежи кристаллогидратов метана. Вся морская флора и фауна по мере отмирания попадает на дно и разлагается с выделением метана. Известно, что растворимость газов в воде пропорциональна давлению, а значит, глубине. Метан, выделяющийся на глубине в несколько сотен метров, полностью растворяется в воде и при достаточно низких температурах образует с ней кристаллогидрат – лед, в котором внутри каждой (образованной несколькими соседними молекулами воды) ячейки находится молекула метана. Это – топливо будущего.

Оценка по количеству запасенного углерода показала, что его в кристаллогидратных месторождениях больше, чем во всех разведанных и неразведанных месторождениях нефти, угля и газа. Подсчитано, что для сжигания всего запасенного в кристаллогидратах метана понадобилось бы 5 % кислорода атмосферы Земли. Месторождения кристаллогидратов метана имеются не только на дне океанов, но и на суше (в вечной мерзлоте Якутии) и даже под дном Черного моря.

При бурении геологоразведочных скважин произошло несколько разрушительных взрывов нехимической природы (метан не реагировал с кислородом воздуха, а просто выделялся в скважине в огромном количестве). Наиболее вероятная причина взрыва состоит в том, что какие-то участки этих месторождений находились в метастабильном (в данном случае – перегретом) состоянии, например, в результате локального потепления. Вызванного бурением возмущения оказалось достаточно для мгновенного выделения в виде газа всего метана из метастабильного участка месторождения. Что касается взрыва в Ледовитом океане, то он скорее всего никем не был спровоцирован. Просто в данном случае перегрев зашел настолько далеко, что для взрыва хватило естественных микровозмущений.

По-видимому, подобные вызванные изменением климата взрывы в мировом океане происходят регулярно, при этом в атмосферу выбрасывается огромное количество метана. Поскольку метан в 25 раз лучше углекислого газа задерживает инфракрасное излучение Земли, можно утверждать, что обнаружена одна из важнейших причин парникового эффекта. Кроме того, метановыми выбросами проще всего объяснить таинственные исчезновения кораблей и самолетов в «Бермудском треугольнике». Он расположен в акватории Саргассова моря, которое на физических картах мира даже выделяют зеленым цветом, чтобы напомнить о водорослях, покрывающих его поверхность. Можно предположить, что повышенному количеству непрерывно образующейся органики соответствуют и повышенная скорость образования метана на дне, и большие масштабы периодического его подъема. Корабль, попавший в зону выброса метановых пузырей (если размер этой зоны превышает размеры корабля), утонет мгновенно просто по закону Архимеда. Самолет, попавший в поднимающееся метановое облако, упадет по причине остановки двигателей без поступления в них кислорода. Подробнее об этом см. в обзоре [2] и в Интернете (любая поисковая система, словосочетание «кристаллогидрат метана»).

Быстрая кристаллизация переохлажденной жидкости также используется в некоторых устройствах. Примером может служить соляная грелка, которая представляет собой герметичный пластиковый мешок с концентрированным раствором соли. При 50 оС соль полностью растворена. Грелка, нагретая вначале до такой температуры и затем положенная куда-нибудь на полку при комнатной температуре, постепенно остывает до этой температуры, после чего сколь угодно долго является своеобразным идеальным термосом. Дело в том, что при остывании в спокойной обстановке соль не выпадает в осадок, как это было бы при точном выполнении фазового равновесия, а остается в метастабильном растворенном состоянии. Вывести ее из него можно, например, достаточно сильным нажатием на грелку (предварительно положенную на больного или под него). Вся соль выпадает сразу в осадок, раствор превращается в соляной монолит с вкраплениями жидкой воды. При этом выделяется большое количество тепла, как и положено при таком фазовом переходе. После использования грелку снова нагревают (например, в кастрюле с водой на плите), соль растворяется – и грелку снова можно класть на полку.

Другой пример рассказал один из студентов. В экологической службе, где он работал, потребовалась для анализов концентрированная (так называемая ледяная) уксусная кислота. Ее получают из разбавленной вымораживанием воды, при этом температура замерзания чистой уксусной кислоты около –17 оС. Кастрюлю с уксусом выставили за окно, где тогда было -30 оС, и после длительного охлаждения с удивлением обнаружили, что уксус остался жидким. Но при помешивании стеклянной палочкой он мгновенно замерз. По-видимому, для эффективного вымораживания воды жидкую смесь при охлаждении нужно было помешивать.

1.3 Несанкционированный «ядерный взрыв»

Когда в начале 1990-х годов с большого количества устаревшей информации был снят гриф секретности, в научно-популярном журнале была опубликована история, случившаяся в 50-х годах в одной из лабораторий п/я Арзамас-16. Трое молодых лаборантов получили задание исследовать скорость ядерной реакции распада некоторого радиоактивного вещества вблизи границы ядерного взрыва.

Разумеется, были приняты меры безопасности. В качестве объекта исследования была выбрана жидкость – раствор соли радиоактивного вещества, а в качестве места реакции – широкий и открытый сверху свинцовый цилиндр с двумя отверстиями вблизи дна – для ввода и для слива жидкости. Если бы из-за ошибки исследователей ядерная реакция начала самопроизвольно ускоряться, то вследствие огромного теплового эффекта реакции произошло бы вскипание жидкости, резкое расширение образовавшейся пены или тумана и фактическое прекращение ядерной реакции из-за усилившегося отвода нейтронов из ее зоны. Для обеспечения безопасности персонала в инструкции к установке было указано требование медленной подачи жидкости в цилиндр и непрерывного измерения там уровня радиации в зависимости от уровня жидкости в цилиндре. При достижении достаточно высокого уровня радиации подачу жидкости прекращали и начинали слив.

Лаборанты знали, что при повышении уровня жидкости они приближаются к опасному пределу, и правильно выполняли эту часть эксперимента. Но на этапе слива жидкости они решили, что опасности уже нет, и однажды утратили бдительность. Нужно сказать, что при большой ширине цилиндра и малом диаметре отводящей трубочки тонкий слой достаточно вязкой жидкости сливается очень долго. Лаборантам это надоело, и они поступили так, как поступил бы любой, желая быстрее слить обычную жидкость: наклонили сосуд, чтобы увеличить гидростатическое давление на входе в отверстие слива (рис. 4). Немедленно комната наполнилась радиоактивным туманом от вскипевшей и вылетевшей жидкости. Оба парня, наклонявшие тяжелый свинцовый сосуд, умерли через несколько дней, а стоявшая в отдалении девушка осталась жива, но с тяжелыми последствиями для здоровья. Конечно, это происшествие нельзя назвать ядерным взрывом, это было лишь начало нереализованного ядерного взрыва.

Рисунок 4 – Схема опыта со сливом радиоактивной жидкости

Чтобы понять причину случившегося, рассмотрим баланс концентрации свободных нейтронов n (г/см3) в жидкости. Они образуются в каждом акте ядерного распада и хаотически движутся внутри жидкости. Достигнув ее границы (неважно, со свинцом или с воздухом), они вылетают безвозвратно. Если V – весь объем жидкости в сосуде, то скорость изменения общей массы Vn свободных нейтронов есть разность скоростей поступления m*+ и вывода m*- (г/с):

V = m*+ – m*-. (1)

В (1) мы пренебрегли скоростью изменения объема жидкости, вынеся его за знак производной (количество исходного радиоактивного вещества может сколько-нибудь заметно уменьшиться только за время, сравнимое с характерным временем полураспада, а это обычно годы). Скорость вывода пропорциональна площади S всей поверхности жидкого объема и концентрации в нем нейтронов:

m*- = kevac Sn. (2)

Скорость поступления

m*+ = (rk0 + nk1) V (3)

пропорциональна объему и скорости реакции, которая в свою очередь состоит из двух частей; rk0 – скорость «естественного распада», реализуется при идеальном отводе нейтронов, когда можно принять n = 0. Выполняется условие k0 ~ 1/t1/2, где t1/2 – время полураспада. Следует особо отметить, что для каждого заданного сорта распадающихся ядер t1/2 есть абсолютная константа, не зависящая ни от температуры, ни от природы прочих атомов вещества, в состав которого входит распадающийся элемент. Второй член nk1 учитывает тот факт, что помимо «естественного» возможен «индуцированный» распад ядер, когда в них попадают нейтроны (а частота попаданий пропорциональна концентрации нейтронов).

Подставим (2) и (3) в (1)

Поскольку нас интересует возможность реализации в такой системе стационарного режима, при котором концентрация нейтронов принимает равновесное значение и не меняется со временем, будем считать концентрацию константой при интегрировании по dt.

Если учесть, что в полученном выражении ( – время за которое в системе устанавливается равновесие), тогда получаем выражение для равновесной концентрации нейтронов

(4)

В результате видим, что в рассматриваемой системе возможен стационарный режим (равновесие) при равновесной концентрации нейтронов

Для выбранного вещества величины rk0, k1, kevac есть константы, менять равновесие можно только чисто геометрическим параметром S/V. С уменьшением параметра S/V рассчитанная по (4) равновесная концентрация нейтронов неограниченно возрастает и при условии

S/V < k1/kevac (5)

становится отрицательной, что не имеет физического смысла и свидетельствует об отсутствии равновесного (стационарного) режима.

Список использованных источников

1 Mason E. A., Saxena S. C. Approximate formula for the thermal conductivity of gas mixtures // Phys. Fluids. 1958. – vol. 1, N 5. – p. 361–369.

2 Wilke C. R. J.  Viscosity equation for gas mixtures // J. Chem. Phys. – 1950. – vol. 18. – p. 517–522.