In un grande, statisticamente significante, studio unico, i ricercatori del Los Alamos National Laboratory hanno confermato che l'esplosivo chiamato PETN (Pentaerythritol tetranitrate), stabilizzato con un rivestimento polisaccaridico, è resistente ai cambiamenti nella forma delle particelle, dimensione, e struttura che può degradare le prestazioni del detonatore nel tempo. I vantaggi del rivestimento in polisaccaride sono noti e studiati da tempo dagli scienziati dei materiali energetici di Los Alamos.

"Il PETN è un esplosivo di avviamento comune ampiamente utilizzato nei detonatori commerciali e nelle scorte nucleari degli Stati Uniti, ma la variabilità da lotto a lotto ci ha reso difficile mostrare in modo definitivo come risponde all'invecchiamento, " ha detto Virginia Manner, un chimico dei materiali energetici a Los Alamos e il capo progetto per lo studio.

Tutto è iniziato con una semplice conversazione tra Manner e Daniel Preston circa tre anni fa. Al tempo, Preston era un ingegnere di ricerca e sviluppo nel gruppo di scienza e tecnologia della detonazione presso il laboratorio e lottava su come creare uno studio completo che collegasse l'invecchiamento del PETN con le prestazioni del detonatore.

"Così abbiamo riunito diversi gruppi e divisioni a Los Alamos per creare uno studio su larga scala che mettesse a tacere tutte le domande che noi e altri abbiamo avuto sulla stabilità del PETN, " ha detto Modo.

I detonatori sono piccoli dispositivi che vengono generalmente utilizzati per avviare grandi cariche esplosive. Questi materiali esplosivi stabili hanno bisogno di un "calcio" per avviare un'esplosione, un'onda d'urto al di sopra di una determinata velocità ed energia. Il compito di un detonatore è convertire un segnale in ingresso, solitamente elettrico o percussivo, in un'uscita di shock ad alta pressione. Sono tenuti a farlo con altissima affidabilità, precisione, e sicurezza, anche dopo anni di servizio sul campo in ambienti avversi. I progettisti di detonatori si affidano a materiali esplosivi in ​​grado di sopravvivere agli effetti dell'invecchiamento con un impatto minimo sulle prestazioni.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista scientifica propellenti, esplosivi, pirotecnica . Molti studi sono stati condotti sulla stabilità del PETN durante il processo di invecchiamento negli ultimi 30 anni a Los Alamos e in altre istituzioni, ma le sfide associate alla variabilità della produzione e al numero di detonatori disponibili hanno ostacolato la raccolta di dati di test statisticamente significativi.

Per risolvere questo dilemma il team di ricerca ha trattato una singola fonte di PETN (sufficiente a riempirne 2, 000 detonatori) con diversi stabilizzatori, invecchiato termicamente i detonatori risultanti, analizzato le caratteristiche della polvere e testato la funzione del detonatore con una dimensione del campione statisticamente significativa. La ricerca evidenziata in questo particolare documento includeva il lancio effettivo di circa 400 di questi detonatori e altri interrogatori del materiale per comprenderne meglio le caratteristiche fisiche.

"Ci siamo concentrati su quattro lotti di polvere PETN dallo stesso stock utilizzando due stabilizzanti che sono stati applicati per decenni, polisaccaride e TriPEON, " ha detto Nick Lease, uno scienziato nel gruppo di scienza e tecnologia degli alti esplosivi del laboratorio. Un polisaccaride è una grossa molecola costituita da zuccheri semplici, come il glucosio. TriPEON è il tripenteeritritolo ottanitrato chimico, un comune stabilizzatore esplosivo.

Secondo Geoff Brown, un altro collaboratore, "Il PETN viene invecchiato come polvere a flusso libero e in detonatori a filo esplosivo modificati per un mese a 75 ° C. La polvere viene quindi analizzata chimicamente utilizzando immagini ad alta risoluzione e tecniche di analisi della dimensione delle particelle e dell'area superficiale".

Inoltre, "Le prestazioni del detonatore sono state valutate a una gamma di tensioni per determinare l'energia necessaria per accendere i detonatori, note anche come tensioni di soglia. È stato anche misurato il tempo di uscita, " ha detto Nathan Burnside, un ingegnere di ricerca e sviluppo nel gruppo Detonation Science and Technology.

I risultati dello studio indicano che l'invecchiamento modifica significativamente l'area superficiale e la dimensione delle particelle del PETN non stabilizzato, portando ad un aumento del tempo di funzionamento del detonatore.

"Monitoriamo la salute del detonatore attraverso il tempo di funzionamento:il tempo impiegato dall'esplosione iniziale del bridgewire nel detonatore, che avvia il PETN, per generare infine uno shock all'estremità di uscita del detonatore. Questo evento dovrebbe essere il più tempestivo possibile, e gli aumenti nel tempo indicano l'erosione della salute del detonatore, " ha detto Preston.

Le polveri stabilizzate con TriPEON hanno mostrato incrementi meno significativi del tempo di funzionamento, mentre la polvere stabilizzata con polisaccaride non ha mostrato effetti di invecchiamento, nonostante l'invecchiamento ad alta temperatura.

"Abbiamo dimostrato che il PETN stabilizzato con un rivestimento polisaccaridico mostra poco o nessun cambiamento nelle caratteristiche della polvere durante l'invecchiamento a temperature elevate, sia in polvere a flusso libero che pressato in pellet detonatori a bassa densità preparati commercialmente, ", ha detto Manner. "È interessante notare che le tensioni di soglia misurate non sembrano risentire dell'ingrossamento che si verifica nella polvere durante l'invecchiamento, anche con la polvere non stabilizzata. Sono in corso studi a lungo termine per determinare se questa continuerà ad essere una tendenza".

A dimostrazione dell'impegno del Laboratorio nel portare a termine la sua missione principale durante l'attuale pandemia, questo progetto è stato completato sotto le restrizioni COVID-19. Poiché lo studio sull'invecchiamento era sensibile al tempo, diversi membri del gruppo di ricerca hanno ricevuto autorizzazioni speciali per essere sul posto, e ha lavorato nei laboratori utilizzando il distanziamento sociale e le mascherine, insieme ad una meticolosa igiene. Hanno eseguito da 25 a 50 test esplosivi al giorno, smontando circa 30 detonatori e riprendendo centinaia di parti.

Sono in corso ulteriori lavori per esplorare gli effetti dell'invecchiamento su varie temperature e su tempi più lunghi. Il team di Los Alamos è composto da scienziati e ingegneri dell'Explosives Science and Technology, Scienza e tecnologia della detonazione, Scienza e tecnologia dei neutroni, e gruppi di integrazione della produzione di sicurezza nucleare.