Une équipe de scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) a montré que la structure des pores microscopiques dans les matériaux hautement explosifs peut avoir un impact significatif sur les performances et la sécurité. Ces résultats - publiés récemment en tant qu'article de couverture dans la revue Propulseurs, Explosifs, Pyrotechnie —  ouvrent la porte à la possibilité de régler les explosifs brisants en mettant au point leur microstructure.

"Ce qui est drôle avec les explosifs, c'est qu'ils ont ces petits défauts et pores et trous, " a déclaré le chercheur Keo Springer, auteur principal de l'article et chercheur au High Explosives Applications Facility de LLNL. "Il s'avère que c'est une partie importante de ce qui les fait fonctionner. Des performances explosives, dans un sens large, n'est pas qu'une question de chimie, c'est une question de microstructure."

Dans la plupart des explosifs puissants, la détonation est initiée par un processus où les pores sont comprimés par une onde de choc. Lorsqu'un pore s'effondre, il crée un point chaud capable d'initier une réaction chimique dans les grains cristallins microscopiques de matière explosive. Cette recherche a porté sur un composé explosif appelé HMX, qui est connu pour être plus sensible et plus dangereux à travailler que les autres explosifs. La question fondamentale à la base de cette étude était de savoir si cela fait une différence si les pores sont situés à l'intérieur des grains ou à leur surface.

« Nous avons découvert que lorsque les pores sont à la surface, ils accélèrent la réaction, " a déclaré Springer. " Nous avons également découvert que si une onde de choc frappe un certain nombre de pores de surface à la fois, ils s'amorcent mutuellement. C'est une fête explosive, et ils font bien la fête ensemble."

En plus de la localisation des pores, l'équipe a examiné si cela faisait une différence si la porosité est répartie sur de nombreux petits pores ou sur moins de pores plus grands. Alors qu'ils ont montré que de nombreux petits pores peuvent travailler ensemble pour accélérer la combustion les uns des autres, ils ont également pu identifier un seuil où les pores deviennent si petits que la réaction s'éteint.

Cet examen a été réalisé dans une série de simulations numériques sur des supercalculateurs LLNL avec le code multi-physique, ALE3D. Prochaines étapes pour l'équipe de recherche — Springer, avec les scientifiques du LLNL Sorin Bastea, Al Nichols, Craig Tarver et Jack Reaugh, notamment en vérifiant que les simulations numériques capturent les processus physiques et chimiques réels. Un moyen direct de le faire est de mener des expériences à micro-échelle pour quantifier les mécanismes d'effondrement des pores et la réactivité.

"La validation est la partie difficile, " dit Springer. " Idéalement, nous aurions besoin d'une très bonne loupe et de la capacité d'arrêter le temps. On parle d'une résolution submicronique avec une vitesse d'obturation de l'ordre de la nanoseconde. Ce qui est bien, c'est que la communauté de la recherche commence à travailler là-dessus.

"Si nous pouvons intégrer des propriétés d'initiation dans la microstructure des explosifs, cela changerait la donne pour l'industrie et pour la sécurité du stock nucléaire. Mais nous avons un long chemin à parcourir pour réaliser cette vision. Ce type de recherche est très important, mais juste une des premières étapes."