Springstoffen groot en klein: van slagpijpje tot - Chemmystery forum 6
Springstoffen groot en klein: van slagpijpje tot - Chemmystery forum 6
Springstoffen groot en klein: van slagpijpje tot - Chemmystery forum 6
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Springstoff<strong>en</strong></strong> <strong>groot</strong> <strong>en</strong> <strong>klein</strong>: <strong>van</strong> <strong>slagpijpje</strong> <strong>tot</strong> massavernietigingswap<strong>en</strong><br />
R. Van Deun - Vakgroep Anorganische <strong>en</strong> Fysische Chemie - UG<strong>en</strong>t
Overzicht:<br />
Deel 1: conv<strong>en</strong>tionele explosiev<strong>en</strong><br />
• Definitie <strong>van</strong> explosief<br />
• Deflagratie versus detonatie<br />
• Indeling <strong>van</strong> explosiev<strong>en</strong> + voorbeeld<strong>en</strong><br />
• Enkele exotische types...<br />
Deel 2: nucleaire explosiev<strong>en</strong><br />
• Kernfissie of -splijting<br />
• Conv<strong>en</strong>tionele explosiev<strong>en</strong> versus nucleaire explosiev<strong>en</strong><br />
• Kernfusie<br />
• Neutron<strong>en</strong>bom
Deel 1:<br />
conv<strong>en</strong>tionele explosiev<strong>en</strong>
Definitie<br />
Van Dale:<br />
• Explosief :<br />
• Ontploff<strong>en</strong> :<br />
Ontplofbare stof<br />
Met e<strong>en</strong> knal uite<strong>en</strong>barst<strong>en</strong><br />
American Heritage Dictionary of the English language:<br />
• To explode : To release mechanical, chemical, or<br />
nuclear <strong>en</strong>ergy by the sudd<strong>en</strong><br />
production of gases in a confined space<br />
To burst viol<strong>en</strong>tly as a result of<br />
internal pressure
Deflagratie vs detonatie<br />
• Deflagrer<strong>en</strong> : Verbrand<strong>en</strong> met veel warmte <strong>en</strong> int<strong>en</strong>s licht<br />
Verbrandingsproces, hetzij met luchtzuurstof,<br />
hetzij met zuurstof afkomstig <strong>van</strong><br />
e<strong>en</strong> oxidans<br />
Snelheid <strong>van</strong> het reactiefront < 330 m/s<br />
Propagatie d.m.v. warmtegeleiding
Deflagratie vs detonatie<br />
• Detoner<strong>en</strong> : (Do<strong>en</strong>) ontploff<strong>en</strong><br />
Homoge<strong>en</strong> proces <strong>van</strong> snelle radicalaire<br />
exotherme desintegratie, met extreem snel<br />
beweg<strong>en</strong>d schokfront<br />
Snelheid reactiefront > 330 m/s (<strong>tot</strong> 9000 m/s)<br />
Propagatie d.m.v. schok-sam<strong>en</strong>drukking
Indeling<br />
• Laag-explosief :<br />
Meestal e<strong>en</strong> m<strong>en</strong>gsel <strong>van</strong> e<strong>en</strong> brandstof <strong>en</strong> e<strong>en</strong> oxidans<br />
Soms ook <strong>en</strong>kelvoudige molecul<strong>en</strong><br />
Ondergaan meestal deflagratie<br />
Kunn<strong>en</strong> soms deflagratie-detonatie transitie ondergaan
Voorbeeld<strong>en</strong>:<br />
- buskruit (75% KNO 3 + 15% C + 10% S)<br />
74KNO 3 + 96C + 30S +16H 2O<br />
<br />
35N 2 + 56CO 2 + 14CO + 3CH 4 + 2H 2S + 4H 2 +<br />
19K 2CO 3 + 7K 2SO 4 + 8K 2S 2O 3 + 2K 2S + 2KSCN<br />
+ (NH 4) 2CO 3 + C + S<br />
- thermiet (75% Fe 2O 3 + 25% Al >2000°C)<br />
- meeste pyrotechnische m<strong>en</strong>gsels<br />
75% KNO 3 + 12,5% Sb 2S 5 + 12,5% S
hoe komt vuurwerk aan die typische kleur<strong>en</strong>?
Na oranje<br />
Sr rood<br />
Li rood<br />
Cu blauwgro<strong>en</strong><br />
Co witgeel<br />
Ni witgeel<br />
Sb wit<br />
Sr, Cu purper<br />
Ba + Cl gro<strong>en</strong>
- m<strong>en</strong>gsels <strong>van</strong> brandbare gass<strong>en</strong> <strong>en</strong> zuurstof<br />
brand-driehoek<br />
brand-tetraëder
explosiegr<strong>en</strong>z<strong>en</strong>: LEL <strong>en</strong> UEL<br />
Lower Explosive Limit – Upper Explosive Limit<br />
Vb: H 2 4% - 75%<br />
EtOH 3% - 19%<br />
EtOEt 1.9% - 36%<br />
CHCH 2.5% - 82%<br />
CH 4<br />
5% - 15%
• Hoog-explosief :<br />
Meestal <strong>en</strong>kelvoudige stoff<strong>en</strong><br />
Ondergaan doorgaans detonatie<br />
Kunn<strong>en</strong> soms deflagratie-detonatie transitie ondergaan<br />
Word<strong>en</strong> verder onderverdeeld naargelang gevoeligheid:<br />
- Primaire explosiev<strong>en</strong><br />
- Secundaire explosiev<strong>en</strong><br />
( - Tertiaire explosiev<strong>en</strong> )
Voorbeeld<strong>en</strong>:<br />
- nitrocellulose<br />
ONO2<br />
ONO2<br />
O<br />
ONO2<br />
O<br />
ONO2<br />
- ammoniumnitraat NH 4NO 3 (Toulouse 21/9/2001)<br />
NH 4NO 3 2N 2 + O 2 + 4H 2O<br />
O<br />
ONO2<br />
ONO2<br />
O<br />
n<br />
9CO + 3CO 2 + 7H 2O<br />
+ 3N 2
- primaire explosiev<strong>en</strong>:<br />
loodazide Pb(N 3) 2<br />
2NaN 3 + (CH 3COO) 2Pb 2CH 3COONa + Pb(N 3) 2 <br />
Pb(N 3) 2 Pb + 3N 2<br />
kwikfulminaat Hg(ONC) 2<br />
loodstyfnaat (loodtrinitroresorcinaat)<br />
cis-bis(5-nitrotetrazolato)tetraaminecobalt(III)perchlorate<br />
(BNCP)<br />
tetraaminekoperchloraat<br />
O<br />
O2N<br />
NO2<br />
O<br />
NO2<br />
2-<br />
Pb 2+
- secundaire explosiev<strong>en</strong>:<br />
O2NO<br />
O2NO<br />
PETN (P<strong>en</strong>taErytritol TetraNitraat; p<strong>en</strong>triet; nitrop<strong>en</strong>ta)<br />
RDX (Research Departm<strong>en</strong>t eXplosive; cylcotrimethyle<strong>en</strong><br />
trinitramine; hexoge<strong>en</strong>; cycloniet)<br />
TNT (2,4,6-TriNitroTolue<strong>en</strong>): standaard waarmee alle<br />
andere springstoff<strong>en</strong> (ook nucleaire) word<strong>en</strong> vergelek<strong>en</strong><br />
C<br />
ONO2<br />
ONO2<br />
O2N<br />
N<br />
N<br />
NO2<br />
N NO2<br />
O2N<br />
CH3<br />
NO2<br />
NO2
Primaire explosiev<strong>en</strong> (gevoeliger dan PETN), word<strong>en</strong> gebruikt in<br />
<strong>slagpijpje</strong>s om de minder gevoelige secundaire explosiev<strong>en</strong> in te leid<strong>en</strong>.
Exotische types...<br />
• Thermobarische springstoff<strong>en</strong><br />
Producer<strong>en</strong> e<strong>en</strong> <strong>en</strong>orme overdruk door de explosieve<br />
verbranding <strong>van</strong> e<strong>en</strong> lucht-brandstof aerosol.<br />
Het projectiel stoot eerst e<strong>en</strong> hoeveelheid zeer<br />
brandbaar materiaal uit (bv. ethyle<strong>en</strong>oxide), dat dan<br />
met vertraging wordt ontstok<strong>en</strong>.
• ‘Daisy cutter’ (BLU-82/B)<br />
Krachtigste niet-nucleaire wap<strong>en</strong> (<strong>tot</strong> voor kort...)<br />
Bevat 7500kg <strong>van</strong> e<strong>en</strong> goedkoop NH 4NO 3 / Al-poeder /<br />
polystyre<strong>en</strong> m<strong>en</strong>gsel.<br />
Oorspronkelijk bedoeld om moeilijk toegankelijk gebied<br />
‘vlak te mak<strong>en</strong>’.<br />
Wordt zowel ingezet o.w.v. het psychologisch effect als<br />
het antipersoons-effect.
• MOAB (Massive Ordnance Air Burst)<br />
Krachtigste niet-nucleaire wap<strong>en</strong> (sinds maart 2003,<br />
alhoewel...)<br />
Bevat 8,4 ton H6 (RDX + TNT + Al-poeder): 11 ton TNTequival<strong>en</strong>t.<br />
‘Intellig<strong>en</strong>t’ alternatief voor Daisy cutter<br />
GPS – geleid kan <strong>van</strong>op grotere hoogte gedropt word<strong>en</strong>.
• FOAB (Father Of All Bombs)<br />
Krachtigste niet-nucleaire wap<strong>en</strong> (sinds september 2007)<br />
Bevat 7,1 ton ‘nanotechnologisch’ thermobarisch<br />
explosief: 44 ton TNT-equival<strong>en</strong>t (geclaimd).
Deel 2:<br />
nucleaire explosiev<strong>en</strong>
Kernfissie of -splijting<br />
• Geschikte splijtstoff<strong>en</strong>:<br />
235 U<br />
- Slechts 0,7% aanwezig in uraanerts<br />
- Vooral 238 U<br />
- Isotop<strong>en</strong>scheiding moeilijk (elektromagnetisch,<br />
thermische diffusie, gasdiffusie)<br />
235 U + n 144 Ba + 90 Kr + 2n + <strong>en</strong>ergie<br />
235 U + n 141 Ba + 92 Kr + 3n + 170 MeV<br />
235 U + n 94 Zr + 139 La + 3n + 197 MeV<br />
(CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2O + 9.2 eV)<br />
- ‘Kritische massa’ is 52 kg voor 235 U.<br />
- Lage spontane-fissiegraad ‘gun type’ bom
239 Pu - Komt ‘niet’ in de natuur voor.<br />
- Aanmaak in ‘kweekreactor<strong>en</strong>’ door beschieting <strong>van</strong><br />
238 U met neutron<strong>en</strong><br />
238 U + n 239 U<br />
239 U 239 Np + <br />
239 Np 239 Pu + <br />
239 Pu + n 240 Pu<br />
- ‘Kritische massa’ is 10 kg voor 239 Pu.<br />
- Hoge graad <strong>van</strong> spontane fissie door 240 Pu <br />
‘gun-type’ bom niet mogelijk nieuw ontwerp<br />
noodzakelijk: implosieprincipe
233 U<br />
- Komt niet in de natuur voor.<br />
- Aanmaak in ‘kweekreactor<strong>en</strong>’ door beschieting <strong>van</strong><br />
232 Th met neutron<strong>en</strong><br />
232 Th(n,) 233 Th 233 Pa 233 U<br />
- ‘Kritische massa’ is 16 kg voor 233 U.<br />
- Ge<strong>en</strong> gek<strong>en</strong>de toepassing<strong>en</strong> in kernwap<strong>en</strong>s
• Project ‘Trinity’ Alamogordo (New Mexico) 16 juli 1945,<br />
5:29:45 am<br />
- Eerste nucleaire test<br />
- Implosietype fissiebom, g<strong>en</strong>aamd ‘Gadget’<br />
- 239 Pu fissiemateriaal<br />
- Opbr<strong>en</strong>gst: 18,6 kton TNT (efficiëntie 20%)
Conv<strong>en</strong>tioneel vs nucleair<br />
• Conv<strong>en</strong>tionele wap<strong>en</strong>s: schokgolf<br />
• Kernwap<strong>en</strong>: thermische puls, daarna schokgolf
Kernfusie<br />
• Idee reeds geopperd door E. Fermi <strong>en</strong> E. Teller in september<br />
1941.<br />
• Kernfissiewap<strong>en</strong> als ‘primer’ voor de fusiereactie<br />
• Fusiereacties:<br />
a. D + T 4 He + n + 17.588 MeV<br />
b. D + D 3 He + n + 3.268 MeV<br />
c. D + D T + p + 4.03 MeV<br />
d.<br />
e.<br />
f.<br />
3 He + D 4 He + p + 18.34 MeV<br />
6 Li + n T + 4 He + 4.78 MeV<br />
7 Li + n T + 4 He + n – 2.47 MeV
• Twee types kernfusiebrandstof:<br />
- Vloeibaar D (of m<strong>en</strong>gsel D/T); nadeel: cryog<strong>en</strong>e<br />
temperatur<strong>en</strong><br />
- Vast 6 LiD; nadeel: 6 Li slechts 7,5% natuurlijke abundantie<br />
e.<br />
6 Li + n T + 4 He + 4.78 MeV
• Operation ‘Ivy’, Enewetak Atoll, Marshall Islands,<br />
november 1952<br />
- Eerste thermonucleaire test<br />
- ‘Mike’: 2-traps thermonucleair tuig, g<strong>en</strong>aamd ‘Sausage’<br />
- Eerste trap: 239 Pu fissiebom<br />
- Tweede trap: dewar met vloeibaar D<br />
- 1 november 1952, 7:14:59 am, Elugelab Island, Enewetak Atoll<br />
- Opbr<strong>en</strong>gst: 10,4 Mton
• Teller-Ulam design voor kernfusiebom:
• Operation ‘Castle’, Bikini Atoll, februari - mei 1954<br />
- Reeks ontwerptest<strong>en</strong> <strong>van</strong> thermonucleaire tuig<strong>en</strong> met hoge<br />
opbr<strong>en</strong>gst<br />
- ‘Bravo’: 2-traps thermonucleair tuig, g<strong>en</strong>aamd ‘Shrimp’<br />
- Eerste trap: 239 Pu fissiebom<br />
- Tweede trap: vast lithiumdeuteride<br />
- 1 maart 1954, 6:54 am, Nam Island, Bikini Atoll<br />
- Opbr<strong>en</strong>gst: 15 Mton (per ongeluk, krachtigste door de US<br />
geteste nucleaire tuig)<br />
- Extra r<strong>en</strong>dem<strong>en</strong>t door: 7 Li + n snel T + 4 He + n traag
Neutron<strong>en</strong>bom<br />
• Ook ‘ERW’ g<strong>en</strong>oemd<br />
(Enhanced Radiation<br />
Weapon).<br />
• Thermonucleair wap<strong>en</strong>,<br />
geoptimaliseerd voor<br />
maximale neutron<strong>en</strong>uitstoot<br />
• Wellicht vergelijkbaar<br />
ontwerp, zonder ‘tamper’<br />
• Vernietigingskracht <strong>en</strong> fall-out<br />
geminimaliseerd<br />
• Neutron<strong>en</strong> hebb<strong>en</strong> e<strong>en</strong> <strong>groot</strong><br />
doordring<strong>en</strong>d vermog<strong>en</strong><br />
hoge letaliteit.
<strong>Springstoff<strong>en</strong></strong> <strong>groot</strong> <strong>en</strong> <strong>klein</strong>: <strong>van</strong> <strong>slagpijpje</strong> <strong>tot</strong> massavernietigingswap<strong>en</strong><br />
R. Van Deun - Vakgroep Anorganische <strong>en</strong> Fysische Chemie - UG<strong>en</strong>t