חומר נפץ דו מצבי המופעל רק בעת מילוי מים - יכול לצמצם את מרחקי ההפרדה הנדרשים לאחסונו
מחקר חדש שפורסם לאחרונה חושף מבנה חומר נפץ מרסק המסוגל להיות באחד משני מצבים - מצב בטוח או מצב מרסק. הפיכתו למסחרי יכולה לתרום לאחסנה בטוחה יותר של חומרי נפץ
אברהם אילון
| 12/04/2023
bigstockphoto
בחודש שעבר (מרץ 2023) פורסם בכתב העת Physical Review Letters מחקר, שכותרתו Switchable Explosives: Performance Tuning of Fluid-Activated High Explosive Architectures . על המחקר חתומים חמישה חוקרים מהמעבדה הלאומית לוס אלאמוס, מאוניברסיטת אריזונה ומביה"ס למכרות שבאוניברסיטת קולורדו.
חומרי נפץ מסוג High Explosive מכונים "חומרי נפץ מרסקים". לסוג זה של חומרי נפץ שייכים, בין היתר, דינמיט, ניטרוגליצרין, TNT, C-4, HMX, ו-RDX. חומרי נפץ מסוג HE מאופיינים בכושר ריסוק גבוה, בפירוק מהיר מאוד, במהירות גבוהה של התקדמות גל הניפוץ, ובהתפתחות לחצים גבוהים.
חומרת הסיכון לפגיעה בנפש וברכוש, הנובעת מגורם הסיכון "חומרי נפץ", היא גבוהה. בטיחות היא המכנה המשותף ומרכיב מובנה בכל שלב ושלב בעבודה עם חומרי נפץ: ביצור, באחסנה, בהובלה, בשימוש ובהשמדה. אבל הבטיחות היא רק אחת הדרישות. דרישות נוספות הן: יעילות, מהירות וקלות הפעלה.
תיאום ציפיות מחומר הנפץ העיקרי: אדיש או רגיש?
בשלבי היצור, אחסנה וההובלה של חומר הנפץ העיקרי אין לנו עניין ביעילות, במהירות ובקלות הפעלה של חומרי הנפץ, כיוון שלא נרצה שבמהלך החסנה או הובלה שלהם חומרי הנפץ יתייזמו כלל – גם לא בטעות - ויגרמו לנזק לנפש או לרכוש.
לכן בשלבים אלו ננקוט במירב אמצעי הבטיחות, על מנת למנוע הפעלה מקרית ולא מכוונת של חומר הנפץ. אחד מאמצעים אלו הוא הפרדה פיזית של מרכיבי "שרשרת הניפוץ". בשלבים אלו נרצה, שחומר הנפץ העיקרי יהיה אדיש ככל הניתן ליזימה אקראית ולא מכוונת.
לעומת זאת בשלבי השימוש וההשמדה, יש לנו עניין ביזימה של חומרי הנפץ על מנת להשיג את התוצאה הרצויה בקלות ובמהירות. בשלבים אלו נרצה לכן, שחומר הנפץ העיקרי יהיה רגיש ליזימה מכוונת שלו.
מכירים חומר נפץ מרסק שכזה, שמשנה את התכונות שלו ממצב 0 (אדיש, בטוח להחסנה ולהובלה) למצב 1 (רגיש, מוכן להפעלה) על פי בחירתינו? את זה בדיוק מציגים החוקרים במאמר הזה: סוג חדש של חומר אנרגטי, מקבוצת חומרי הנפץ המרסקים, שהביצועים ניתנים לשינוי. חומר הנפץ לא יוכל לעבור תהליך דטונציה, אלא אם ימולא בנוזל. כן – גם במים.
"המצב הבטוח" (0, אדיש, בטוח להחסנה ולהובלה) – הוא מצב ברירת המחדל, שבו מיוצר החומר עם מבנה נקבובי שמונע יזימה מקרית ולא מכוונת שלו. מצב "מוכן לשימוש" (1, רגיש, מוכן להפעלה) - על מנת שניתן יהיה ליזום את חומר הנפץ, כל שנותר הוא להוסיף לו מים שימלאו את חללי הנקבוביות וחומר הנפץ יהיה מוכן להפעלה.
רק לאחר שמוסיפים את החומר האינרטי (המים), הופך חומר הנפץ לחומר נפץ מרסק. אפשר לעשות שימוש במושגים בהשאלה מעולם התחמושת: מצב 0 נצור / מצב 1 חמוש. רק שבמקרה שלנו החימוש/שחרור הניצרה מתבצע באמצעות הוספת נוזל.
כשיוזמים חומר נפץ, שמתקיים בו רצף של שרשרת הניפוץ, נוצר "גל ניפוץ" שככלל מתקדם לאורך חומר הנפץ אגב יצירת לחץ וחום גבוהים ביותר. החוקרים גרסו, שיצור חומר נפץ לתוך מטריצה מלאת חללים מלאים באוויר יגרום לגל הניפוץ לדעוך במהירות אך באופן שיהיה הפיך.
בסימולציות ראשוניות של מבנה כזה, נמצא שבגיאומטריה מתאימה, אכן החללים ישבשו את הגל וימנעו ממנו להתפשט דרך החומר, ושמילוי החללים בנוזל רגיל כמו מים שמר על הלחץ הגבוה של גל הניפוץ, ואפשר לו להתקדם בתוך החומר.
בניסויים נעשה שימוש בחומר הנפץ HMX ובמדפסות תלת-מימד כדי לייצר שכבות דקיקות של גדילים עם מרווחים מזעריים בין גדילים שכנים בשכבה. עם כל שכבה עוקבת, הם סובבו את כיוון המישור ב-90°, ויצרו מבנה, שבו כל גדיל יוצר קשר עם גדילים אחרים רק בשכבות מעל ומתחת ורק בזוויות ישרות.
דגימה בעובי 5 מ"מ של מבנה כזה הוכנסה בין שני לוחות אלומיניום דקים. בשמונה ניסויים ובמגוון תנאים, החוקרים יזמו את חומר הנפץ וצילמו וידאו במהירות גבוהה של התוצאות. הם גם מדדו את האנרגיה המשתחררת בתהליך.
תוצאות הניסויים
גל הניפוץ, שהופעל בניסוי על מבנים של אוויר בחללי הנקבוביות, דעך במהירות. אמנם נצפתה התקדמות של חזית בעירה, אך זו שיחררה אנרגיה רק מהשכבות החיצוניות. גל הניפוץ לא התקדם בחופשיות על פני החומר אלא התפזר לסביבה. לעומת זאת בכל הניסויים עם נוזלים, שמילאו את חללי הנקבוביות, גלי הניפוץ התקדמו, והפיקו אנרגיה פי 45-50 מזו ששוחררה מהפיצוץ של המבנים עם החללים הנקבוביים.
ההבדל העיקרי בין שני המקרים טמון במהירות הגל: חזית הבעירה במקרה הראשון נעה לאט יותר ממהירות הקול, בעוד שגל הניפוץ היה על-קולי. ה"הגשה" העל-קולית של הלחץ, היא מה שנותן לחומר נפץ כוח עוצמתי כל כך.
תפוקת האנרגיה של חומר נפץ במבנה בעל חללים נקבוביים היתה נמוכה ב-98% מזו של מבנה שווה-ערך מלא במים. וניתן לכוון את הביצועים ליישומים ספציפיים על ידי בחירת סוג נוזל המילוי: שימוש בנוזל בצפיפות גבוהה העלה את האנרגיה המשתחררת בפיצוץ בכמעט 10% והפחית את מהירות גל הניפוץ ב-13%.
יישום פרקטי אפשרי?
ידידי, המהנדס אריק גורן, יו"ר ענף בטיחות בנפיצים באיגוד הישראלי להנדסת בטיחות, העלה בעקבות קריאת המאמר שאלה מעניינת ויישומית: האם ניתן יהיה להגדיר את חומר הנפץ במצבו האדיש כבעל רגישות נמוכה מאוד, כפי שמוגדרים נפיצים המשויכים לתת-קבוצת סיווג הסיכון 1.5 ו-1.6 ?
אם התשובה חיובית, הרי שניתן יהיה לקבוע את רמת הסיכון לסביבה בעת אחסנה של כמויות גדולות. ברצותנו יהא חומר נפץ "רגיל", הנדרש למרחקי הפרדה משמעותיים לסביבה; וברצותנו יהא חומר אדיש, אשר אינו מהווה סיכון כלל לסביבה.
במצב זה ניתן יהיה לצמצם באופן ניכר את הדרישות למרחקי ההפרדה, מה שיביא להוזלת עלויות הלוגיסטיקה, הבינוי והמיגון הנלווים לרוב לאחסנת חומרי נפץ "רגילים".
מחקר חדש שפורסם לאחרונה חושף מבנה חומר נפץ מרסק המסוגל להיות באחד משני מצבים - מצב בטוח או מצב מרסק. הפיכתו למסחרי יכולה לתרום לאחסנה בטוחה יותר של חומרי נפץ
bigstockphoto
בחודש שעבר (מרץ 2023) פורסם בכתב העת Physical Review Letters מחקר, שכותרתו Switchable Explosives: Performance Tuning of Fluid-Activated High Explosive Architectures . על המחקר חתומים חמישה חוקרים מהמעבדה הלאומית לוס אלאמוס, מאוניברסיטת אריזונה ומביה"ס למכרות שבאוניברסיטת קולורדו.
חומרי נפץ מסוג High Explosive מכונים "חומרי נפץ מרסקים". לסוג זה של חומרי נפץ שייכים, בין היתר, דינמיט, ניטרוגליצרין, TNT, C-4, HMX, ו-RDX. חומרי נפץ מסוג HE מאופיינים בכושר ריסוק גבוה, בפירוק מהיר מאוד, במהירות גבוהה של התקדמות גל הניפוץ, ובהתפתחות לחצים גבוהים.
חומרת הסיכון לפגיעה בנפש וברכוש, הנובעת מגורם הסיכון "חומרי נפץ", היא גבוהה. בטיחות היא המכנה המשותף ומרכיב מובנה בכל שלב ושלב בעבודה עם חומרי נפץ: ביצור, באחסנה, בהובלה, בשימוש ובהשמדה. אבל הבטיחות היא רק אחת הדרישות. דרישות נוספות הן: יעילות, מהירות וקלות הפעלה.
תיאום ציפיות מחומר הנפץ העיקרי: אדיש או רגיש?
בשלבי היצור, אחסנה וההובלה של חומר הנפץ העיקרי אין לנו עניין ביעילות, במהירות ובקלות הפעלה של חומרי הנפץ, כיוון שלא נרצה שבמהלך החסנה או הובלה שלהם חומרי הנפץ יתייזמו כלל – גם לא בטעות - ויגרמו לנזק לנפש או לרכוש.
לכן בשלבים אלו ננקוט במירב אמצעי הבטיחות, על מנת למנוע הפעלה מקרית ולא מכוונת של חומר הנפץ. אחד מאמצעים אלו הוא הפרדה פיזית של מרכיבי "שרשרת הניפוץ". בשלבים אלו נרצה, שחומר הנפץ העיקרי יהיה אדיש ככל הניתן ליזימה אקראית ולא מכוונת.
לעומת זאת בשלבי השימוש וההשמדה, יש לנו עניין ביזימה של חומרי הנפץ על מנת להשיג את התוצאה הרצויה בקלות ובמהירות. בשלבים אלו נרצה לכן, שחומר הנפץ העיקרי יהיה רגיש ליזימה מכוונת שלו.
מכירים חומר נפץ מרסק שכזה, שמשנה את התכונות שלו ממצב 0 (אדיש, בטוח להחסנה ולהובלה) למצב 1 (רגיש, מוכן להפעלה) על פי בחירתינו? את זה בדיוק מציגים החוקרים במאמר הזה: סוג חדש של חומר אנרגטי, מקבוצת חומרי הנפץ המרסקים, שהביצועים ניתנים לשינוי. חומר הנפץ לא יוכל לעבור תהליך דטונציה, אלא אם ימולא בנוזל. כן – גם במים.
"המצב הבטוח" (0, אדיש, בטוח להחסנה ולהובלה) – הוא מצב ברירת המחדל, שבו מיוצר החומר עם מבנה נקבובי שמונע יזימה מקרית ולא מכוונת שלו. מצב "מוכן לשימוש" (1, רגיש, מוכן להפעלה) - על מנת שניתן יהיה ליזום את חומר הנפץ, כל שנותר הוא להוסיף לו מים שימלאו את חללי הנקבוביות וחומר הנפץ יהיה מוכן להפעלה.
רק לאחר שמוסיפים את החומר האינרטי (המים), הופך חומר הנפץ לחומר נפץ מרסק. אפשר לעשות שימוש במושגים בהשאלה מעולם התחמושת: מצב 0 נצור / מצב 1 חמוש. רק שבמקרה שלנו החימוש/שחרור הניצרה מתבצע באמצעות הוספת נוזל.
כשיוזמים חומר נפץ, שמתקיים בו רצף של שרשרת הניפוץ, נוצר "גל ניפוץ" שככלל מתקדם לאורך חומר הנפץ אגב יצירת לחץ וחום גבוהים ביותר. החוקרים גרסו, שיצור חומר נפץ לתוך מטריצה מלאת חללים מלאים באוויר יגרום לגל הניפוץ לדעוך במהירות אך באופן שיהיה הפיך.
בסימולציות ראשוניות של מבנה כזה, נמצא שבגיאומטריה מתאימה, אכן החללים ישבשו את הגל וימנעו ממנו להתפשט דרך החומר, ושמילוי החללים בנוזל רגיל כמו מים שמר על הלחץ הגבוה של גל הניפוץ, ואפשר לו להתקדם בתוך החומר.
בניסויים נעשה שימוש בחומר הנפץ HMX ובמדפסות תלת-מימד כדי לייצר שכבות דקיקות של גדילים עם מרווחים מזעריים בין גדילים שכנים בשכבה. עם כל שכבה עוקבת, הם סובבו את כיוון המישור ב-90°, ויצרו מבנה, שבו כל גדיל יוצר קשר עם גדילים אחרים רק בשכבות מעל ומתחת ורק בזוויות ישרות.
דגימה בעובי 5 מ"מ של מבנה כזה הוכנסה בין שני לוחות אלומיניום דקים. בשמונה ניסויים ובמגוון תנאים, החוקרים יזמו את חומר הנפץ וצילמו וידאו במהירות גבוהה של התוצאות. הם גם מדדו את האנרגיה המשתחררת בתהליך.
תוצאות הניסויים
גל הניפוץ, שהופעל בניסוי על מבנים של אוויר בחללי הנקבוביות, דעך במהירות. אמנם נצפתה התקדמות של חזית בעירה, אך זו שיחררה אנרגיה רק מהשכבות החיצוניות. גל הניפוץ לא התקדם בחופשיות על פני החומר אלא התפזר לסביבה. לעומת זאת בכל הניסויים עם נוזלים, שמילאו את חללי הנקבוביות, גלי הניפוץ התקדמו, והפיקו אנרגיה פי 45-50 מזו ששוחררה מהפיצוץ של המבנים עם החללים הנקבוביים.
ההבדל העיקרי בין שני המקרים טמון במהירות הגל: חזית הבעירה במקרה הראשון נעה לאט יותר ממהירות הקול, בעוד שגל הניפוץ היה על-קולי. ה"הגשה" העל-קולית של הלחץ, היא מה שנותן לחומר נפץ כוח עוצמתי כל כך.
תפוקת האנרגיה של חומר נפץ במבנה בעל חללים נקבוביים היתה נמוכה ב-98% מזו של מבנה שווה-ערך מלא במים. וניתן לכוון את הביצועים ליישומים ספציפיים על ידי בחירת סוג נוזל המילוי: שימוש בנוזל בצפיפות גבוהה העלה את האנרגיה המשתחררת בפיצוץ בכמעט 10% והפחית את מהירות גל הניפוץ ב-13%.
יישום פרקטי אפשרי?
ידידי, המהנדס אריק גורן, יו"ר ענף בטיחות בנפיצים באיגוד הישראלי להנדסת בטיחות, העלה בעקבות קריאת המאמר שאלה מעניינת ויישומית: האם ניתן יהיה להגדיר את חומר הנפץ במצבו האדיש כבעל רגישות נמוכה מאוד, כפי שמוגדרים נפיצים המשויכים לתת-קבוצת סיווג הסיכון 1.5 ו-1.6 ?
אם התשובה חיובית, הרי שניתן יהיה לקבוע את רמת הסיכון לסביבה בעת אחסנה של כמויות גדולות. ברצותנו יהא חומר נפץ "רגיל", הנדרש למרחקי הפרדה משמעותיים לסביבה; וברצותנו יהא חומר אדיש, אשר אינו מהווה סיכון כלל לסביבה.
במצב זה ניתן יהיה לצמצם באופן ניכר את הדרישות למרחקי ההפרדה, מה שיביא להוזלת עלויות הלוגיסטיקה, הבינוי והמיגון הנלווים לרוב לאחסנת חומרי נפץ "רגילים".
