Springstoffen groot en klein: van slagpijpje tot - Chemmystery forum 6

Springstoffen groot en klein: van slagpijpje tot massavernietigingswapen
R. Van Deun - Vakgroep Anorganische en Fysische Chemie - UGent

Overzicht:
Deel 1: conventionele explosieven
• Definitie van explosief
• Deflagratie versus detonatie
• Indeling van explosieven + voorbeelden
• Enkele exotische types...
Deel 2: nucleaire explosieven
• Kernfissie of -splijting
• Conventionele explosieven versus nucleaire explosieven
• Kernfusie
• Neutronenbom

Deel 1:
conventionele explosieven

Definitie
Van Dale:
• Explosief :
• Ontploffen :
Ontplofbare stof
Met een knal uiteenbarsten
American Heritage Dictionary of the English language:
• To explode : To release mechanical, chemical, or
nuclear energy by the sudden
production of gases in a confined space
To burst violently as a result of
internal pressure

Deflagratie vs detonatie
• Deflagreren : Verbranden met veel warmte en intens licht
Verbrandingsproces, hetzij met luchtzuurstof,
hetzij met zuurstof afkomstig van
een oxidans
Snelheid van het reactiefront < 330 m/s
Propagatie d.m.v. warmtegeleiding

Deflagratie vs detonatie
• Detoneren : (Doen) ontploffen
Homogeen proces van snelle radicalaire
exotherme desintegratie, met extreem snel
bewegend schokfront
Snelheid reactiefront > 330 m/s (tot 9000 m/s)
Propagatie d.m.v. schok-samendrukking

Indeling
• Laag-explosief :
Meestal een mengsel van een brandstof en een oxidans
Soms ook enkelvoudige moleculen
Ondergaan meestal deflagratie
Kunnen soms deflagratie-detonatie transitie ondergaan

Voorbeelden:
- buskruit (75% KNO 3 + 15% C + 10% S)
74KNO 3 + 96C + 30S +16H 2O
35N 2 + 56CO 2 + 14CO + 3CH 4 + 2H 2S + 4H 2 +
19K 2CO 3 + 7K 2SO 4 + 8K 2S 2O 3 + 2K 2S + 2KSCN
+ (NH 4) 2CO 3 + C + S
- thermiet (75% Fe 2O 3 + 25% Al >2000°C)
- meeste pyrotechnische mengsels
75% KNO 3 + 12,5% Sb 2S 5 + 12,5% S

hoe komt vuurwerk aan die typische kleuren?

Na oranje
Sr rood
Li rood
Cu blauwgroen
Co witgeel
Ni witgeel
Sb wit
Sr, Cu purper
Ba + Cl groen

- mengsels van brandbare gassen en zuurstof
brand-driehoek
brand-tetraëder

explosiegrenzen: LEL en UEL
Lower Explosive Limit – Upper Explosive Limit
Vb: H 2 4% - 75%
EtOH 3% - 19%
EtOEt 1.9% - 36%
CHCH 2.5% - 82%
CH 4
5% - 15%

• Hoog-explosief :
Meestal enkelvoudige stoffen
Ondergaan doorgaans detonatie
Kunnen soms deflagratie-detonatie transitie ondergaan
Worden verder onderverdeeld naargelang gevoeligheid:
- Primaire explosieven
- Secundaire explosieven
( - Tertiaire explosieven )

Voorbeelden:
- nitrocellulose
ONO2
ONO2
O
ONO2
O
ONO2
- ammoniumnitraat NH 4NO 3 (Toulouse 21/9/2001)
NH 4NO 3 2N 2 + O 2 + 4H 2O
O
ONO2
ONO2
O
n
9CO + 3CO 2 + 7H 2O
+ 3N 2

- primaire explosieven:
loodazide Pb(N 3) 2
2NaN 3 + (CH 3COO) 2Pb 2CH 3COONa + Pb(N 3) 2
Pb(N 3) 2 Pb + 3N 2
kwikfulminaat Hg(ONC) 2
loodstyfnaat (loodtrinitroresorcinaat)
cis-bis(5-nitrotetrazolato)tetraaminecobalt(III)perchlorate
(BNCP)
tetraaminekoperchloraat
O
O2N
NO2
O
NO2
2-
Pb 2+

- secundaire explosieven:
O2NO
O2NO
PETN (PentaErytritol TetraNitraat; pentriet; nitropenta)
RDX (Research Department eXplosive; cylcotrimethyleen
trinitramine; hexogeen; cycloniet)
TNT (2,4,6-TriNitroTolueen): standaard waarmee alle
andere springstoffen (ook nucleaire) worden vergeleken
C
ONO2
ONO2
O2N
N
N
NO2
N NO2
O2N
CH3
NO2
NO2

Primaire explosieven (gevoeliger dan PETN), worden gebruikt in
slagpijpjes om de minder gevoelige secundaire explosieven in te leiden.

Exotische types...
• Thermobarische springstoffen
Produceren een enorme overdruk door de explosieve
verbranding van een lucht-brandstof aerosol.
Het projectiel stoot eerst een hoeveelheid zeer
brandbaar materiaal uit (bv. ethyleenoxide), dat dan
met vertraging wordt ontstoken.

• ‘Daisy cutter’ (BLU-82/B)
Krachtigste niet-nucleaire wapen (tot voor kort...)
Bevat 7500kg van een goedkoop NH 4NO 3 / Al-poeder /
polystyreen mengsel.
Oorspronkelijk bedoeld om moeilijk toegankelijk gebied
‘vlak te maken’.
Wordt zowel ingezet o.w.v. het psychologisch effect als
het antipersoons-effect.

• MOAB (Massive Ordnance Air Burst)
Krachtigste niet-nucleaire wapen (sinds maart 2003,
alhoewel...)
Bevat 8,4 ton H6 (RDX + TNT + Al-poeder): 11 ton TNTequivalent.
‘Intelligent’ alternatief voor Daisy cutter
GPS – geleid kan vanop grotere hoogte gedropt worden.

• FOAB (Father Of All Bombs)
Krachtigste niet-nucleaire wapen (sinds september 2007)
Bevat 7,1 ton ‘nanotechnologisch’ thermobarisch
explosief: 44 ton TNT-equivalent (geclaimd).

Deel 2:
nucleaire explosieven

Kernfissie of -splijting
• Geschikte splijtstoffen:
235 U
- Slechts 0,7% aanwezig in uraanerts
- Vooral 238 U
- Isotopenscheiding moeilijk (elektromagnetisch,
thermische diffusie, gasdiffusie)
235 U + n 144 Ba + 90 Kr + 2n + energie
235 U + n 141 Ba + 92 Kr + 3n + 170 MeV
235 U + n 94 Zr + 139 La + 3n + 197 MeV
(CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2O + 9.2 eV)
- ‘Kritische massa’ is 52 kg voor 235 U.
- Lage spontane-fissiegraad ‘gun type’ bom

239 Pu - Komt ‘niet’ in de natuur voor.
- Aanmaak in ‘kweekreactoren’ door beschieting van
238 U met neutronen
238 U + n 239 U
239 U 239 Np +
239 Np 239 Pu +
239 Pu + n 240 Pu
- ‘Kritische massa’ is 10 kg voor 239 Pu.
- Hoge graad van spontane fissie door 240 Pu
‘gun-type’ bom niet mogelijk nieuw ontwerp
noodzakelijk: implosieprincipe

233 U
- Komt niet in de natuur voor.
- Aanmaak in ‘kweekreactoren’ door beschieting van
232 Th met neutronen
232 Th(n,) 233 Th 233 Pa 233 U
- ‘Kritische massa’ is 16 kg voor 233 U.
- Geen gekende toepassingen in kernwapens

• Project ‘Trinity’ Alamogordo (New Mexico) 16 juli 1945,
5:29:45 am
- Eerste nucleaire test
- Implosietype fissiebom, genaamd ‘Gadget’
- 239 Pu fissiemateriaal
- Opbrengst: 18,6 kton TNT (efficiëntie 20%)

Conventioneel vs nucleair
• Conventionele wapens: schokgolf
• Kernwapen: thermische puls, daarna schokgolf

Kernfusie
• Idee reeds geopperd door E. Fermi en E. Teller in september
1941.
• Kernfissiewapen als ‘primer’ voor de fusiereactie
• Fusiereacties:
a. D + T 4 He + n + 17.588 MeV
b. D + D 3 He + n + 3.268 MeV
c. D + D T + p + 4.03 MeV
d.
e.
f.
3 He + D 4 He + p + 18.34 MeV
6 Li + n T + 4 He + 4.78 MeV
7 Li + n T + 4 He + n – 2.47 MeV

• Twee types kernfusiebrandstof:
- Vloeibaar D (of mengsel D/T); nadeel: cryogene
temperaturen
- Vast 6 LiD; nadeel: 6 Li slechts 7,5% natuurlijke abundantie
e.
6 Li + n T + 4 He + 4.78 MeV

• Operation ‘Ivy’, Enewetak Atoll, Marshall Islands,
november 1952
- Eerste thermonucleaire test
- ‘Mike’: 2-traps thermonucleair tuig, genaamd ‘Sausage’
- Eerste trap: 239 Pu fissiebom
- Tweede trap: dewar met vloeibaar D
- 1 november 1952, 7:14:59 am, Elugelab Island, Enewetak Atoll
- Opbrengst: 10,4 Mton

• Teller-Ulam design voor kernfusiebom:

• Operation ‘Castle’, Bikini Atoll, februari - mei 1954
- Reeks ontwerptesten van thermonucleaire tuigen met hoge
opbrengst
- ‘Bravo’: 2-traps thermonucleair tuig, genaamd ‘Shrimp’
- Eerste trap: 239 Pu fissiebom
- Tweede trap: vast lithiumdeuteride
- 1 maart 1954, 6:54 am, Nam Island, Bikini Atoll
- Opbrengst: 15 Mton (per ongeluk, krachtigste door de US
geteste nucleaire tuig)
- Extra rendement door: 7 Li + n snel T + 4 He + n traag

Neutronenbom
• Ook ‘ERW’ genoemd
(Enhanced Radiation
Weapon).
• Thermonucleair wapen,
geoptimaliseerd voor
maximale neutronenuitstoot
• Wellicht vergelijkbaar
ontwerp, zonder ‘tamper’
• Vernietigingskracht en fall-out
geminimaliseerd
• Neutronen hebben een groot
doordringend vermogen
hoge letaliteit.

Springstoffen groot en klein: van slagpijpje tot massavernietigingswapen
R. Van Deun - Vakgroep Anorganische en Fysische Chemie - UGent