detonasjon

Enkelte kjemiske stoffer eller stoffblandinger er sammensatt på en slik måte at de inneholder betydelig med kjemisk energi som potensielt kan frigjøres hurtig i kjemiske reaksjoner som er sterkt eksoterme, altså at de avgir varme.

Hvis slike materialer tilføres tilstrekkelig med aktiveringsenergi, for eksempel gjennom oppvarming, vil de eksoterme reaksjonene som settes i gang kunne bre om seg i uberørt materiale på to fundamentalt forskjellige måter. Man skiller i denne sammenhengen mellom såkalt deflagrasjon og detonasjon.

De kjemiske reaksjonene som finner sted i begge disse to typene av prosesser har som regel betydelige likheter med de kjemiske reaksjonene som finner sted i en forbrenning, men de trenger ikke nødvendigvis å være av helt samme type.

Evne til deflagrasjon og detonasjon er ikke nødvendigvis konstante egenskaper for et gitt stoff eller stoffblanding. Samme stoff eller blanding kan deflagrere under noen forhold, mens de kan detonere under andre.

For eksempel vil nitroglyserin i dynamitt detonere ved bruk av sprenghette, mens det samme stoffet vil deflagrere som del av et fast rakettdrivstoff i en faststoffmotor.

I en deflagrasjon, som er den vanligste av de to prosessene nevnt over, vil de eksoterme kjemiske reaksjonene bre seg sjiktvis utover i det uberørte materialet gjennom varmeoverføring. Dette foregår gjennom varmeledning, konveksjon og varmestråling.

Forbrenning i forbrenningsmotorer, der drivstoff er blandet opp med luft og antent, er deflagrasjoner. Krutt og pyrotekniske stoffer vil som regel også omsettes gjennom deflagrasjon, men her trengs ingen tilførsel av luft fordi oksidasjonsmidler allerede befinner seg i blandingen.

Ved kraftig deflagrasjon vil det kunne utvikles et lokalt overtrykk. Blir overtrykket stort nok, kan det oppstå en sjokkbølge. Blir denne sjokkbølgen tilstrekkelig sterk, vil den kunne komprimere materialet foran seg så kraftig at temperaturen i et tynt sjikt av materialet gjennom adiabatisk kompresjon stiger så høyt at eksoterme kjemiske reaksjoner igangsettes nærmest spontant.

Hvis de kjemiske reaksjonene som da oppstår i det tynne sjiktet avgir nok energi, vil de kunne opprettholde sjokkbølgen og drive den videre fremover. Når et slikt system av selvopprettholdende reaksjonssone med tilhørende sjokkbølge har oppstått, kalles reaksjonsprosessen for detonasjon. Sjokkbølger har alltid supersonisk hastighet.

Reaksjonssonen med tilhørende sjokkbølge i front kalles for detonasjonsbølge. Denne vil bevege seg gjennom uberørt materiale med en konstant hastighet som er høyere enn lydhastigheten i det uberørte materialet. Lydhastigheten i faste stoffer og væsker, som er mest relevant for sprengstoffer, er for øvrig gjerne betydelig høyere enn lydhastigheten i luft.

Spredningshastigheten til detonasjonsbølgen kalles for detonasjonshastigheten. For faste sprengstoffer kan denne være på opptil tusenvis av meter pers sekund – rundt 7000 m/s for TNT, 8000 m/s for nitroglyserin og 9000 m/s for HMX.

Tettheten til materialet i et sjikt komprimert av en detonasjonsbølge, slik som beskrevet over, er betraktelig høyere enn i det intakte, uberørte materialet. Det oppstår lokalt et høyt trykk, som for faste sprengstoffer kan bli ekstremt høyt, opptil flere titalls GPa (flere hundre tusen bar).

Det høye trykket som oppstår i detonasjoner, det såkalte detonasjonstrykket, kan brukes sivilt til for eksempel steinbrytning. Det kan også brukes militært, slik som til å akselerere fragmenter i sprenggranater. Trykket kan også konsentreres på en effektiv måte som danner grunnlaget for bruken av hulladninger i våpensystemer.

Det er viktig å bemerke at detonerende stoffer som regel faktisk ikke er spesielt energirike, men de omsettes i løpet av så utrolig kort tid at effekten – altså energiutviklingen per tidsenhet – blir særdeles høy. Nettopp for å poengtere dette kinetiske aspektet omtaler man i dag ofte sprengstoff, krutt og pyroteknikk som energetiske materialer, i stedet for energirike materialer.

Som eksempel kan nevnes at en dynamittpatron med diameter 10 millimeter kan utvikle en termisk effekt på hele 4 GW, noe som er sammenlignbart med den samlede installerte effekten i alle norske vindkraftverk.

Detonasjonsprosesser må tilføres tilstrekkelig med energi for å komme i gang. Opptrappingen til en detonasjon starter med en deflagrasjon som deretter vil eskalere og til slutt gå gjennom en transisjonsfase og ende i detonasjon. Kontroll av dette forløpet er et helt fundamentalt aspekt i sikker bruk av sprengstoff.

Ulike sprengstoffer har veldig ulik evne til hvor raskt de kan nå detonasjonsfasen. For initialsprengstoffer skjer overgangen spesielt lett og raskt, og de er derfor følsomme og farlige under håndtering. De fleste sprengstoffer i bruk er gjerne såkalte sekundærsprengstoffer som er mindre følsomme og dermed sikrere.

Sekundærsprengstoffene, slik som for eksempel dynamitt og TNT, må settes i detonasjon ved hjelp av et initieringsmiddel (sprenghette eller detonator). Disse inneholder en liten mengde av følsomt initialsprengstoff. Denne kombinasjonen av sprengstoffer med ulike egenskaper minimaliserer bruken av de sprengstoffene som er farligst å håndtere.