[論文レビュー] Critical velocities for deflagration and detonation triggered by voids in a REBO high explosive

Stuart Davis Herring, Timothy C. Germann+1 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2010

Energetic Materials and Combustion参考文献 2被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、反応的分子動力学シミュレーションとREBOポテンシャルを用いて、2次元高爆発物結晶内の円形空孔が、炎上および爆轟を引き起こすために必要な臨界衝撃速度をどのように低減するかを調査した。10 nmの空孔で最小発火速度が4倍低減され、2.5 nmの空孔では臨界爆轟速度が10%低減され、炎上駆動の圧力および熱の蓄積による正のフィードバックにより、4.0 ± 0.4 km/sで爆轟発生が観察された。

ABSTRACT

The effects of circular voids on the shock sensitivity of a two-dimensional model high explosive crystal are considered. We simulate a piston impact using molecular dynamics simulations with a Reactive Empirical Bond Order (REBO) model potential for a sub-micron, sub-ns exothermic reaction in a diatomic molecular solid. The probability of initiating chemical reactions is found to rise more suddenly with increasing piston velocity for larger voids that collapse more deterministically. A void with radius as small as 10 nm reduces the minimum initiating velocity by a factor of 4.

研究の動機と目的

• 高爆発物内の微小な空孔が衝撃感度および臨界イニシエーション速度に与える影響を理解すること。
• 空孔サイズと衝撃速度が、分子動力学シミュレーションを用いて炎上およびその後の爆轟を引き起こす役割を特定すること。
• 孤立した空孔を有する系における炎上から爆轟への遷移を、エネルギー集約および正のフィードバックメカニズムに焦点を当てて定量化すること。
• 2次元系における爆轟誘導時間の圧力依存性と、実験的法則からの逸脱を検討すること。
• 空孔サイズがホットスポット形成および爆轟イニシエーションの信頼性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 反応的経験的結合秩序（REBO）ポテンシャルを用いた分子動力学シミュレーションにより、高爆発物を模倣した2次元二原子分子固体における衝撃イニシエーションをモデル化した。
• 衝撃負荷を模倣するため、異なる速度でピストン衝撃を適用し、半径2.5、5、10、20、50 nmの円形空孔を系に導入した。
• 単一の空孔とその像をシミュレートするために周期的境界条件を適用し、ミクロンスケールの距離にわたる衝撃波の伝播を研究可能とした。
• 複数回のシミュレーションにおいて爆轟までの時間を記録し、Popプロットを作成して爆轟イニシエーションの統計的信頼性を評価した。
• ホットスポット形成および爆轟への遷移を特定するために、温度、圧力、反応進行度を追跡した。
• Popプロットデータにべき乗則フィットを適用し、爆轟誘導時間の圧力依存性を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 円形空孔のサイズは、2次元REBO高爆発物結晶における化学反応を誘発するための最小ピストン速度にどのように影響するか？
• RQ2 単一の空孔を有する系において、炎上から爆轟への遷移の臨界速度閾値は何か？ また、空孔サイズに応じてどのように変化するか？
• RQ3 本2次元モデルにおいて、空孔なしと空孔ありの系における爆轟誘導時間の圧力依存性はどのように異なるか？
• RQ4 空孔に起因するホットスポットが、自己持続的爆轟を信頼性高く誘発する程度はどの程度か？ また、空孔サイズおよび衝撃強度にどのように依存するか？
• RQ5 収縮空孔におけるイニシエーションプロセスを支配する物理的メカニズム（ジェット衝突、再圧縮、振動励起など）のうち、どれが主導的か？

主な発見

• 10 nmの空孔は、完全な結晶と比較して反応を誘発するための最小イニシエーション速度を4倍低減する。
• 2.5 nmの空孔は、完全な結晶と比較して臨界爆轟速度を10%低減する。
• 炎上から爆轟への遷移は、衝撃速度4.0 ± 0.4 km/sで発生し、半径依存の臨界速度は u_c(r) ≈ (3.8 + 0.34e^(-r/22 Å)) km/s で近似される。
• 10 nmを超える空孔では、ピストン速度が400 m/s増加することで、 ignitions の確率が10%から90%に急増し、急峻な遷移が示された。
• 空孔なしの系では爆轟誘導時間の圧力依存性がべき乗則で表され、指数は-13.77であり、空孔ありの系では-9.95であった。両者とも3次元高爆発物の実験的値よりも急峻であった。
• 高圧領域では空孔の影響が無視できるが、低圧領域では空孔に起因するホットスポットエネルギーが爆轟発展の主因となる。