La ricerca condotta sul supercomputer Quartz del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) evidenzia i risultati degli scienziati che rivelano un aspetto mancante della fisica degli hotspot in TATB (1, 3, 5-trimamino-2, 4, 6-trinitrobenzene) e altri esplosivi.

Gli hotspot sono regioni localizzate di temperatura elevata che si formano dal collasso della porosità microstrutturale indotto da shock e sono noti per governare l'inizio degli shock e le proprietà di detonazione degli esplosivi. Il concetto principale alla base degli hotspot è che le temperature elevate locali accelerano la chimica locale.

La ricerca è stata pubblicata nel numero dell'11 marzo del Journal of Physical Chemistry Letters ed era una collaborazione tra LLNL e Purdue University. Gli autori includono Matthew Kroonblawd di LLNL e Brenden Hamilton, Chunyu Li e Alejandro Strachan di Purdue.

Il lavoro mette in evidenza un aspetto fisico trascurato delle prime fasi della formazione e dell'evoluzione degli hotspot che fornisce un percorso per migliorare sistematicamente i modelli multifisici di inizio di shock e detonazione utilizzati per valutare le prestazioni e la sicurezza.

"Uno dei risultati più sconcertanti delle prime simulazioni di dinamica molecolare reattiva è che gli hotspot formati nei pori collassati reagiscono molto più rapidamente di quelli di dimensioni equivalenti, temperatura e pressione nel materiale sfuso, " disse Strachan. "Mentre riconosciuto, la ragione di queste differenze non è stata compresa. Il nostro studio risolve questa domanda in quanto troviamo che il materiale esplosivo in un poro collassato è fondamentalmente diverso dalla massa e che si trova in uno stato ad alta energia innescato per reazioni chimiche".

Importanza di comprendere gli hotspot

Il TATB è un alto esplosivo insensibile, critico per le scorte nucleari della nazione ed è difficile da modellare su scala continua. I modelli ingegneristici per la sicurezza degli esplosivi e le prestazioni di detonazione si basano su modelli fisici incentrati sulla formazione e la crescita di punti caldi.

Kroonblawd ha spiegato che "i modelli multifisici a livello continuo utilizzati per valutare la sicurezza e le prestazioni sono altamente empirici, il che rende difficile creare modelli esplosivi trasferibili a diverse condizioni applicative. La mancanza di modelli trasferibili è particolarmente vera per gli esplosivi ad alto potenziale insensibile come il TATB. Non è ancora possibile costruire un modello esplosivo dai primi principi, indicando che mancano aspetti chiave nella nostra comprensione della fisica e della chimica degli hotspot".

Questi modelli si basano su accurati trattamenti di reattività chimica e trasporto termico; se gli hotspot cresceranno e si fonderanno in un'onda di detonazione è determinato da una competizione tra il tasso di generazione di calore dovuto alla chimica e la perdita di calore dovuta alla conduzione termica.

L'identificazione della causa alla base delle differenze nelle velocità di reazione degli hotspot offre un percorso verso la formulazione di modelli esplosivi più generali che miglioreranno la loro accuratezza predittiva e trasferibilità. Sebbene questi modelli si siano in genere concentrati sulla temperatura come principale variabile di controllo della chimica, i risultati suggeriscono che la rifusione di questi modelli in termini di energia potenziale produrrà un trattamento più generale in grado di distinguere le diverse reattività dei diversi stati materiali.

Attraverso simulazioni di dinamica molecolare di tutti gli atomi, i ricercatori hanno scoperto che gli hotspot non sono solo regioni di energia cinetica (o temperatura) localizzata, ma sono anche regioni di energia potenziale localizzata. La quantità di energia potenziale è molto maggiore della quantità di energia cinetica ed è concentrata in modi molecolari rilevanti per la decomposizione chimica.

La potenziale localizzazione dell'energia si manifesta a causa di deformazioni a livello molecolare nelle regioni plasticamente deformate del materiale e ciò porterà ad un'accelerazione meccanochimica delle reazioni.

"Il punto chiave è che non esiste una relazione uno a uno tra energia cinetica e potenziale in questi sistemi, quindi, non si possono dedurre le velocità di reazione locali dal solo campo di temperatura, "Ha detto Hamilton.

Il team conduce simulazioni su larga scala

Il lavoro, condotta dal personale della Divisione di Scienza dei Materiali presso il Centro Materiali Energetici (EMC) LLNL e il Dipartimento di Ingegneria dei Materiali a Purdue, è stato supportato dal programma di iniziativa strategica di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio di LLNL con Lara Leininger, Direttore EMC, come investigatore principale. Il lavoro prevedeva l'esecuzione di simulazioni di tutti gli atomi su larga scala sulla macchina di Livermore Computing Quartz, e queste simulazioni sono state eseguite utilizzando il tempo di calcolo concesso attraverso Computational Grand Challenge di LLNL.

Per studiare le proprietà di rilassamento a lungo termine dell'energia cinetica e potenziale negli hotspot, il team ha sviluppato un nuovo metodo chiamato Shock Trapping Internal Boundaries.

"In genere, le simulazioni d'urto sono limitate nel tempo al momento in cui un'onda d'urto raggiunge il limite della simulazione a valle, che genera onde di riflessione che alterano lo stato, "Ha detto Hamilton. "Nel nostro metodo, possiamo isolare l'hotspot, o qualsiasi regione di interesse, impedendo ai riflessi di interagire con esso per consentire uno studio continuo dell'evoluzione temporale."

Ciò ha permesso al team di quantificare i tassi di rilassamento dell'energia cinetica e potenziale per determinare che l'energia potenziale dell'hotspot persiste dopo che la conduzione termica ha dissipato l'energia cinetica.

Le simulazioni di dinamica molecolare prevedono che negli hotspot sia localizzata più energia potenziale di quanto la loro energia cinetica (o temperatura) suggerirebbe. L'energia potenziale in eccesso è legata a stati molecolari tesi persistenti che sono innescati per reazioni chimiche e spiegano perché i punti caldi reagiscono più velocemente della massa.