מחקר לקביעת ערכי שקילות-TNT עבור חומרי נפץ בינאריים

כתב העת Nature פרסם (04/05/2025) מאמר, שתיאר מחקר לקביעת ערכי שקילות-TNT עבור חומרים אנרגטיים בינאריים. תחום האנרגטיקה מסתמך על מדידות פיזיקליות כגון כימות ההשפעה של חומרים אנרגטיים על הסביבה כדי להבטיח בטיחות, כדי לקבוע מרחקי בטיחות מינימליים וכדי לקבוע דרישות אחסון.

שקילות-TNT
מושג מרכזי בשיקולים אלה הוא "שקילות-TNT", מדד המשמש לקישור ההשפעות של חומרים אנרגטיים שונים למאפיינים הידועים היטב של טרי-ניטרו-טולואן (TNT). המונח שקילות-TNT מכמת את ההשפעה של חומרים אנרגטיים ביחס ל-TNT, ומסייע בהנחיות בטיחות ובהערכת ביצועים. ערכי שקילות-TNT עבור חומרים אנרגטיים משמשים להשוואת השפעות שחרור אנרגיה נתונה לזו של TNT, אשר שקילות-TNT שלה היא 1.00 ומשמשת כקו הבסיס אליו משווים אנרגטיקות אחרות.

שקילות-TNT לא רק מסייעת בהערכת נזקי פיצוץ פוטנציאליים וסיכונים לאנשים פרטיים, אלא גם תומכת בקביעת אמצעי בטיחות לאחסון וטיפול בחומרים אנרגטיים. הגדרת שקילות-TNT היא תהליך מורכב, וישנן שיטות ניסוי רבות להשוואת אנרגטיקה (לרבות: sand crush test, ballistic mortar test, plate dent test, air blast, ו-reaction velocity).

מדידות שונות
השוואת אנרגיית התגובה של חומר אנרגטי לזו של TNT מאפשרת הערכה של שקילות-TNT ביחס לשיא הלחץ (peak pressure), בעוד שהשוואת חום הבעירה מאפשרת הערכה של שקילות-TNT ביחס ללחץ קוואזי-סטטי (quasi-static pressure).

לחישוב שקילות-TNT אין שיטה אחת מקובלת באופן אוניברסלי עקב פרמטרי בדיקה מגוונים, וכתוצאה מכך ההבדלים בתוצאות מדידות שפורסמו בספרות משתנות עד 50%. בהתאם לאותן בדיקות שפורסמו בספרות, כל בדיקה הניבה ערך שקילות-TNT שונה, שכן כל אחת מעריכה השפעה שונה של הכוח האנרגטי. 

למשל שקילות-TNT של חומר הנפץ Comp B נופלת בדרך כלל בטווח ערכים עקב טווח הבדיקות האפשריות. ניתן למצוא טווח של 1.10-1.36, כאשר הערך המצוטט הנפוץ ביותר הוא 1.32. או למשל שקילות-TNT של C4 בצפיפות עקבית היא 1.16 (sand crush test), 1.30 (ballistic mortar test), 1.15 (plate dent test) ו-1.47 בהתבסס על חום הפיצוץ.

תחזיות תיאורטיות מתעלמות לעתים קרובות מגורמים כמו תכולת אלומיניום או ייצור גז נוסף, בעוד שגישות ניסיוניות נוטות להתמקד בהיבט אחד של פיצוץ כגון הלם, רסיקות או על-לחץ. למרות פער מתודולוגי לכאורה זה והתוצאות המגוונות הנובעות מכך, שקילות-TNT נותרה אמצעי מהיר ומדויק למדי לאיסוף נתונים, בכפוף כמובן לבחירת בדיקה מתאימה.

ניתן לחשב ערכים חלופיים לשקילות-TNT בהתאם לתכונה המושווית, למתי הערכים נמדדים בתגובה או לתהליכים המרוחקים מאזור הפיצוץ. ערכים ידועים אלה התקבלו באופן נרחב ונעשה בהם שימוש בהערכות בטיחות, במידול פיצוץ ובהנחיות רגולטוריות.

מדד שקילות-TNT מסייע לחוקרים ולאנשי מקצוע לאמוד את הכוח ההרסני היחסי של אנרגטיקות שונות ולהעריך את השפעתן הפוטנציאלית על מבנים, על הסביבה ועל חיי אדם. לפיכך, להעדר ערך שקילות-TNT של חומר נפץ מסוים שנעשה בו שימוש יכולות להיות השלכות על מחקר, על שימוש ועל בטיחות.

חומרים אנרגטיים בינאריים
בעוד שלחלק מהחומרים האנרגטיים יש ערכי שקילות-TNT מתועדים היטב, חומרים אנרגטיים בינאריים רבים חסרים נתונים כאלה שפורסמו. חומרים אנרגטיים בינאריים, המורכבים משני רכיבים נפרדים שהופכים לאנרגטיים רק כאשר הם מעורבבים, נמצאים בשימוש גובר בתעשייה בשל בטיחותם בטיפול ובאחסון. נכון לספרות הנוכחית, לא נמצאו ערכי שקילות-TNT, שפורסמו עבור חומרים אלה.

מטרת המחקר
מחקר זה השתמש בשלושה ניסויים כדי לקבוע שקילות-TNT עבור חומרים אנרגטיים בינאריים, שלא נמצאו בספרות אך נפוצים בשימוש בצבא, במחקר וברשויות אכיפת החוק: Helix, Texpak, Rimfire, Tannerite ו-Kinepak.

שלושה מבחנים שימשו במחקר לצורך קביעת ערכי שקילות-TNT: שקע בלוח, מהירות תגובה והדף אוויר. כל מבחן העריך היבטים שונים של ביצועים אנרגטיים, תוך התייחסות הן לכוח הרסני בקרבת אזור הפיצוץ והן להשפעות רחוקות יותר ממנו.

תוצאות
Helix ייצר ערכי שקילות-TNT בטווח 0.64-1.10. ל-Kinepak היו ערכים נמוכים יותר (0.18-0.58), המצביעים על ברזנטיות (כושר רסיקות) מוגבלת, אך הדף אוויר גבוה יותר. Tannerite ו-Rimfire לא ייצרו ערכי שקע עקב כושר רסיקות נמוך; כאשר מהירות תגובה וערכי שקילות-TNT בהדף אוויר היו בטווח 0.18-0.71.

חומרי נפץ מסחריים מבוססי אמוניום חנקתי ייצרו באופן עקבי ערכי שקילות-TNT נמוכים, בעוד שחומרי נפץ נוזליים מסחריים הראו ערכים הקרובים יותר ל-TNT. חומרי נפץ סינתטיים מבוססי אמוניום חנקתי, החסרים את כושר הרסיקות המצוי בחומרי נפץ אחרים, אך ייצרו גז ועל לחץ.

מסקנות
ממצאי המחקר מדגישים את החשיבות של התחשבות במאפייני החומרים האנרגטיים ושל סוג המבחן, שנבחר לצורך קביעת שקילות-TNT: בדיקות שקעים ומהירות תגובה בלוח מוצעות להערכת כוח ההרס בקרבת מקום, בעוד שבדיקות הדף אוויר מתאימות להערכת השפעות מרוחקות יותר.

המגמות העקביות שנצפו בין סוגי החומרים האנרגטיים השונים מדגישות את החשיבות של התחשבות במאפיינים ובהתנהגויות הספציפיים שלהם בעת הערכת שקילות-TNT שלהם.

חומרים אנרגטיים מסחריים מבוססי אמוניום חנקתי, למרות יעילותם ביישומים מסוימים, עשויים שלא להציג את אותה רמת ביצועים כמו חומרי נפץ נוזליים מסחריים או חומרים אנרגטיים דחוסים.

באופן דומה, חומרי נפץ סינתטיים מבוססי אמוניום חנקתי מפגינים ערכי שקילות-TNT מתונים עבור הדף אוויר, המשקפים את הרכבם הייחודי ומאפייני התגובה שלהם, אך חסרים את הכוח האנרגטי, שהודגם בשאר החומרים האנרגטיים.

בסך הכל, ערכי שקילות-TNT ישתנו בתנאי ניסוי שונים, כולל קוטר וכליאה. יש להשתמש בערכים שנמצאו במחקר זה בזהירות, תוך הבטחה כי גורמי בטיחות מתאימים מיושמים אם פרמטרי הבדיקה משתנים. הבחירה צריכה להתבסס על הערך המתאים ביותר עבור היישום הספציפי הנדון. ערכים ממבחן שקע הפלטה או מבחן מהירות התגובה מוצעים אם מדובר בכוח הרסני קרוב, או אימפולס אם מחושבים השפעות הדף אוויר מרוחק מלב הפיצוץ.

המידע מסתמך על פרסומים, שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn, שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH, ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.