Minor Scale
Detonasjon av ca. 4300 metriske tonn med sprengstoffet ANFO, en blanding av 94,4% ammoniumnitrat og 5,6% fyringsolje, i prøvesprengningen Minor Scale, utført 27. juni 1985 på testområdet White Sands Missile Range i delstaten New Mexico, USA. Testen hadde som formål å simulere et mindre kjernevåpen. Sprengladningen var arrangert som en halvkule med radius 13,4 meter. Denne ble initiert i sentrum ved hjelp av en kraftig startladning bestående av 140 kilogram oktol (75% HMX, 25% TNT). Dette gav en detonasjonsbølge som beveget seg som et kuleskall utover fra sentrum. ANFO-sprengstoffet benyttet i testen hadde en tetthet på ca. 850 kg/m3, og det detonerer da med en hastighet på om lag 3200 meter per sekund. Detonasjon er en så rask prosess at alt dette sprengstoffet - flere tusen tonn med fast materiale - ble fullstendig omsatt til varme gasser i løpet av kun noen få millisekunder.
US Defense Nuclear Agency.
Lisens: Falt i det fri

Detonasjon er en forbrenningslignende kjemisk reaksjonsprosess som forplanter seg i stoffer eller stoffblandinger i supersonisk hastighet på opptil flere tusen meter per sekund. Forløpet utgjør den fundamentale virkningsmåten til sprengstoffer.

Faktaboks

Uttale
detonasjˈon
Etymologi
latin ‘tordne bort’

I detonasjoner sprer den kjemiske reaksjonen seg gjennom stoffet eller stoffblandingen ved hjelp av en sjokkbølge som opprettholdes av reaksjonen. Materialer som kan detonere sies å være høyeksplosive. De kan bestå av gasser, væsker, faste stoffer eller blandinger av væsker og faststoff.

Detonasjon som begrep brukes enkelte ganger synonymt med eksplosjon. Dette er imidlertid upresist. Detonasjon er et særegent fenomen, og eksplosjoner kan ha mange ulike årsaker som ikke nødvendigvis involverer detonasjon.

Reaksjonsforløp

Overblikk

Enkelte kjemiske stoffer eller stoffblandinger er sammensatt på en slik måte at de inneholder betydelig med kjemisk energi som potensielt kan frigjøres i kjemiske reaksjoner som er sterkt eksoterme (varmeavgivende).

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, og 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.

Deflagrasjon

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.

Detonasjon

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.

Detonasjonshastighet

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.

Virkninger

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 mm kan utvikle en termisk effekt på hele 4 GW, noe som er sammenlignbart med den samlede installerte effekten i alle norske vindkraftverk.

Initieringsprosessen

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 fundamental 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.

Eksplosjoner

Reaksjonsgassene som følger bak en detonasjonsbølge foreligger ved et trykk som er langt høyere enn atmosfæretrykket. Gassenes påfølgende ekspansjon i omkringliggende luft vil forplante seg som en sjokkbølge. Denne vil gjennom energitap etter hvert dempes og gå over til en lydbølge.

Detonerende stoffer vil selv helt uten noen form for inneslutning kunne gi anledning til voldsomme eksplosjoner som forårsaker store skader i umiddelbar nærhet, og detonasjoner gir alltid eksplosjoner i større eller mindre grad.

Begrepet eksplosjon er på sin side verken veldefinert eller entydig. Eksplosjoner kan forårsakes av en rekke fysiske (gjerne mekaniske) og kjemiske fenomener. Man kan si at eksplosjoner i luft er alle energifrigjøringer som er raske og konsentrerte nok til å forårsake en sjokkbølge som kan høres.

Foruten bruk av kjemiske virkemidler som krutt og sprengstoffer, kan eksplosjoner også oppstå når for eksempel trykksatt gass eller damp frigjøres raskt, ved kraftige elektriske utladninger eller ved bruk av plasma og lasere.

Historie

Begrepene detonasjon og eksplosjon har vært brukt i hundrevis av år, helt siden middelalderen. I mesteparten av denne tiden har de imidlertid vært brukt mer eller mindre tilfeldig om hverandre. Historiens første kjente energetiske materiale, svartkrutt, er ikke i stand til å detonere og vil deflagrere under alle forhold.

Det første stoffet oppdaget som kunne detonere var antagelig såkalt knallgull, en heterogen og følsom kjemisk forbindelse som hovedsakelig består av gull og nitrogen. Den fås når metallisk gull løses opp i kongevann og deretter tilsettes ammoniakk.

Først beskrevet så tidlig som i 1585, ble knallgull i århundrene deretter studert av så og si alle kjemikere av betydning til langt utpå 1800-tallet – alle tydelig fascinert av virkningene når stoffet detonerte ved slag eller forsiktig oppvarming. Siden knallgull raskt slo hull på beholderen den ble antent i, gav dette opphav til en pussig formening om at virkningen av stoffet kun virket nedover.

Den første som brukte ordet detonasjon i en betydning som tilnærmelsesvis tilsvarer slik vi bruker det i dag var den engelske kjemikeren Frederick Augustus Abel (1827–1902) i en publikasjon i 1869. Abel var en eksplosivekspert som først og fremst arbeidet med nitrocellulose (skytebomull).

Detonasjon som distinkt fenomen ble oppdaget og beskrevet i 1881 av de franske kjemikerne Marcellin Berthelot (1827–1907), Paul Marie Eugène Vieille (1854–1934), Ernest-François Mallard (1833–1894) og Henry Louis Le Châtelier (1850–1936). Disse studiene omhandlet detonasjon i gasser.

En teoretisk modell for detonasjon ble utviklet i 1899 av den engelske kjemikeren David Leonard Chapman (1869–1958) og i 1905 av den franske ingeniøren Jacques Charles Émile Jouguet (1871–1943). Modellen kalles ofte for Chapman-Jouguet-modellen og danner grunnlaget for moderne typer av termokjemisk programvare som brukes for å beregne blant annet detonasjonshastigheter til kjemiske stoffer/blandinger.

En mer sofistikert teoretisk modell for detonasjon, den såkalte ZND-modellen, ble senere utviklet av fysikerne Yakov Borisovich Zeldovich (1914–1987), John von Neumann (1903–1957) og Werner Döring (1911–2006) under andre verdenskrig, et arbeid de gjorde uavhengig av hverandre.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg