Detonation


Detonation

Eine Detonation ist eine sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitende chemische Reaktion in einem Sprengstoff, die zur Explosion des Sprengstoffes führt. Der Bezugswert der Schallgeschwindigkeit ist die Schallgeschwindigkeit innerhalb des explosiven Materials.

Die chemische Reaktion läuft dabei an eine Stoßwelle gekoppelt durch das Material und folgt den Ausbreitungsgesetzen einer chemischen Welle. Da die Reaktion schneller durch das Material läuft als der von ihr ausgelöste mechanische Impuls, ist keine Verdämmung des Sprengstoffes erforderlich.

Reaktion

Bei einer Detonation durchläuft eine sehr schmale, idealisiert flächenartige Detonationsfront den Sprengstoff mit einer Geschwindigkeit, die größer als die Schallgeschwindigkeit im unzersetzten Sprengstoff ist, ausgehend vom Ort der Initiierung. Dieser Stoßfront folgt eine wenige Millimeter breite Reaktionszone, in der die chemische Umsetzung des Sprengstoffes unter Energiefreisetzung zu meist gasförmigen Endprodukten stattfindet. Die Reaktionsenergie kompensiert den dissipativen Energieverlust, der eine Stosswelle in einem nicht reaktiven Material (beispielsweise Stahl, Wasser oder Luft) mit der Zeit abschwächt und schließlich auslöscht. In der Detonationsfront herrscht ein sehr hoher Druck von bis zu 500 Kilobar und eine sehr hohe Temperatur von bis zu 6000°C; die Materie ist hochverdichtet, ionisiert (wird elektrisch leitend) und emittiert Licht, erkennbar als Detonationsblitz.

Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der sich die Detonationsfront durch den Sprengstoff bewegt, wird als Detonationsgeschwindigkeit bezeichnet. Nach einer gewissen Anlaufstrecke, die von der Art der Initiierung abhängt, stellt sich eine stabile Detonationsgeschwindigkeit ein, die nur von den Eigenschaften des Sprengstoffs und der Krümmung der Detonationsfront abhängt. Die bei den Sprengstoffdaten angegebenen Werte für die Detonationsgeschwindigkeiten gelten für eine ebene Detonationsfront und liegen zwischen 1500 bis 10000 m/s. Die Detonationsgeschwindigkeit ist damit größer als die Schallgeschwindigkeit im Sprengstoff bei Normaldruck und Normaltemperatur. Wegen der hohen Temperatur und des hohen Drucks ist die Schallgeschwindigkeit in der Detonationsfront aber deutlich erhöht. Die Detonationsgeschwindigkeit hängt von der spezifischen Energie und der physikalischen Dichte des Sprengstoffes ab, wobei nur die innerhalb von 0,1 µs nach Eintreffen der Detonationsfront freigesetzte Reaktionsenergie zur Detonationsgeschwindigkeit beiträgt.

Geometrie der Ladung

Bei einer Sprengstoffsäule mit konstantem kreisförmigem Querschnitt ist die Detonationsgeschwindigkeit umso kleiner, je kleiner der Durchmesser der Säule ist. Wird ein bestimmter, hauptsächlich von den Sprengstoffeigenschaften und geringfügig von der Festigkeit des Einschlusses abhängiger kritischer Durchmesser unterschritten, dann kann sich die Detonation entlang der Säule nicht zuverlässig fortpflanzen und reißt auch nach sehr starker Initiierung ab.

Druck

Entscheidend für die Stärke eines Sprengstoffes ist vor allem der Detonationsdruck, welcher ungefähr proportional zum Quadrat der Detonationsgeschwindigkeit und zur Dichte des Sprengstoffes ist.

Der Druckanstieg lässt sich dabei nicht mit der Zustandsgleichung idealer Gase beschreiben, da wegen des sehr steilen Druck- und Temperaturanstiegs die Explosionsgase der Kompression einen höheren Widerstand entgegensetzen, der nicht vernachlässigbar ist. Die Zustandsgleichung wird daher um einen Korrekturparameter $ k $ ergänzt. Die Größe des Parameters kann bei chemisch homogenen Sprengstoffen hinreichend genau auf 3 festgesetzt werden, was bedeutet, dass eine Halbierung des Gasvolumens zu einer Verachtfachung des Druckes führt[1]:

$ \frac {p_1}{p_2} = \left( \frac {V_2} {V_1} \right)^k $

Trifft eine Detonationsfront auf einen angrenzenden Körper, so wird dieser durch den extrem schnellen Anstieg auf sehr hohe Drücke einer sehr starken Beschleunigung ausgesetzt. Die dabei auftretenden Kräfte betragen ein Vielfaches der zwischenatomaren Bindungskräfte. Es gibt kein Material, das dem Detonationsstoß eines brisanten Sprengstoffes unmittelbar standhalten kann. In einer mehr oder weniger breiten Zone wird durch einen Detonationsstoß die mechanische und chemische Struktur des Zielmaterials zerrissen.

Reaktionsumgebung

Eine Detonation kann außer in festen und flüssigen Sprengstoffen auch in explosiven Gas-Gemischen und sogar in nuklearem Brennmaterial (z. B. bei einer Supernova vom Typ Ia) auftreten. Entgegen verbreiteten anderslautenden Aussagen tritt bei Atombombenexplosionen in der Regel jedoch keine Detonation in der nuklearen Komponente auf; bei Kernspaltungsbomben zum Beispiel gibt es überhaupt keine Reaktionsfront.

Die im Sprengmittel auftretende Stoßfront breitet sich nach Verbrauch des Sprengmittels auch in das umgebende Medium aus und bildet eine typische Detonationswelle. Allerdings kann auch eine Deflagration eine Stoßwelle im umgebenden Medium auslösen, wenn in diesem die Schallgeschwindigkeit erheblich niedriger als im deflagrierenden Brennstoff ist.

Die als Klopfen bezeichnete unerwünschte Frühzündung in Verbrennungsmotoren kann zu einer Detonation führen und erheblichen Schaden am Motor anrichten.

Ideale Detonation

Ist die chemische Umsetzung innerhalb der Detonationsfront praktisch vollständig, so handelt es sich um eine Ideale Detonation, welche durch die Chapman-Jouguet-Theorie mit hinreichender Genauigkeit beschrieben wird. Nichtideale Detonationen mit verzögerten Reaktionen und einer breiteren, dreidimensionalen Reaktionszone versucht man mit aufwendigen Computersimulationen zu simulieren. Ein wichtiges Beispiel für einen nichtideal detonierenden Sprengstoff ist Triaminotrinitrobenzol.

Abgrenzung von anderen Explosionsformen

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird der Begriff Detonation für Explosionen verwendet, bei denen ein scharfer Knall oder eine intensive Druckwelle auftritt, auch wenn der Ablauf physikalisch gesehen keine Detonation ist, z. B. bei nuklearen Explosionen oder bei pyrotechnischen Knallsätzen. Häufig ist damit, in Anlehnung an den englischen Sprachgebrauch, auch die Zündung einer Sprengladung und nicht der eigentliche Explosionsvorgang gemeint.

Im Gegensatz zur Detonation sollen Treibmittel in Form einer Deflagration explodieren, also sehr schnell und kontrolliert unter Gasentwicklung abbrennen und dabei mechanische Arbeit leisten, wie etwa ein Geschoss aus einem Gewehrlauf zu treiben. Die Deflagration ist druck- und temperaturabhängig. Eine Deflagration kann sich unter Einschluss durch Massenträgheit oder Verdämmung beschleunigen und in manchen Stoffen in eine Detonation übergehen. Eine Detonation in einem Gewehr würde dessen Zerstörung bewirken.

Literatur

  • D.L.Chapman: Phil. Mag. (Lond. Edinb. Dubl.) 47, 90 (1899)
  • E.Jouguet: J. Math. Pure Appl. 60, 347 (1905); 61,1 (1906)
  • J.Taylor: "Detonation in Condensed Explosives", Clarendon Press, Oxford 1952
  • J.Neumann, R.D.Richtmeyer: J. Appl. Phys. 21, 232 (1950)
  • C.E.Anderson, J.S.Wilbeck, J.C.Hokanson, J.R.Asay, D.E.Grady, R.A.Graham, M.E.Kipp, in Y.M. Gupta: "Shock Waves in Condensed Matter - 1985", Plenum Press, New York 1986
  • J.M.Walsh, R.H.Christian: Phys. Rev. 97, 1544-56 (1955)

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. G.I. Pokrowski, Explosion und Sprengung, BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, 1. Auflage Leipzig 1985, S. 30 bis 40