Dans un grand, statistiquement significatif, étude unique, des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos ont confirmé que l'explosif appelé PETN (tétranitrate de pentaérythritol), stabilisé avec un revêtement polysaccharidique, résiste aux changements de forme des particules, Taille, et une structure qui peut dégrader les performances du détonateur au fil du temps. Les avantages du revêtement de polysaccharide sont connus et étudiés depuis longtemps par les scientifiques des matériaux énergétiques de Los Alamos.

"Le PETN est un explosif d'amorçage courant largement utilisé dans les détonateurs commerciaux et dans le stock nucléaire américain, mais la variabilité d'un lot à l'autre a rendu difficile pour nous de montrer définitivement comment il réagit au vieillissement, " dit Virginie Manner, un chimiste des matériaux énergétiques à Los Alamos et le chef de projet de l'étude.

Tout a commencé par une simple conversation entre Manner et Daniel Preston il y a environ trois ans. À l'époque, Preston était ingénieur en recherche et développement dans le groupe Science et technologie de la détonation du laboratoire et s'efforçait de créer une étude complète reliant le vieillissement du PETN aux performances du détonateur.

"Nous avons donc réuni plusieurs groupes et divisions à Los Alamos pour créer une étude à très grande échelle qui dissiperait toutes les questions que nous et d'autres avons eues sur la stabilité du PETN, " dit Manner.

Les détonateurs sont de petits dispositifs qui sont généralement utilisés pour initier de grosses charges explosives. Ces matières explosives stables ont besoin d'un "coup de pied" pour déclencher une explosion, une onde de choc au-dessus d'une vitesse et d'une énergie spécifiques. Le travail d'un détonateur est de convertir un signal d'entrée, généralement électrique ou à percussion, dans une sortie de choc à haute pression. Ils sont tenus de le faire avec une très grande fiabilité, précision, et la sécurité, même après des années de service sur le terrain dans des environnements défavorables. Les concepteurs de détonateurs s'appuient sur des matériaux explosifs qui peuvent survivre aux effets du vieillissement avec un impact minimal sur les performances.

La recherche a été publiée dans la revue scientifique Propulseurs, Explosifs, Pyrotechnie . De nombreuses études ont été menées sur la stabilité du PETN au cours du processus de vieillissement au cours des 30 dernières années à Los Alamos et dans d'autres institutions, mais les défis associés à la variabilité de la production et au nombre de détonateurs disponibles ont entravé la collecte de données d'essai statistiquement significatives.

Pour résoudre ce dilemme, l'équipe de recherche a traité une seule source de PETN (assez pour remplir 2, 000 détonateurs) avec différents stabilisateurs, vieillir thermiquement les détonateurs résultants, analysé les caractéristiques de la poudre et testé la fonction du détonateur avec une taille d'échantillon statistiquement significative. La recherche mise en évidence dans cet article particulier comprenait le tir réel d'environ 400 de ces détonateurs et d'autres interrogations du matériau pour mieux comprendre ses caractéristiques physiques.

« Nous nous sommes concentrés sur quatre lots de poudre PETN du même stock en utilisant deux stabilisants appliqués depuis des décennies, polysaccharide et TriPEON, " a déclaré Nick Lease, un scientifique du groupe Science et technologie des explosifs puissants du Laboratoire. Un polysaccharide est une grosse molécule composée de sucres simples, comme le glucose. TriPEON est l'octanitrate chimique de tripentaérythritol, un stabilisateur explosif commun.

Selon Geoff Brown, un autre collaborateur, "Le PETN est vieilli sous forme de poudre à écoulement libre et dans des détonateurs à pont explosif modifiés pendant un mois à 75 ° C. La poudre est ensuite analysée chimiquement à l'aide d'une imagerie à haute résolution ainsi que de techniques d'analyse de la taille des particules et de la surface. "

En outre, « les performances des détonateurs ont été évaluées dans une gamme de tensions pour déterminer l'énergie nécessaire pour allumer les détonateurs, également appelées tensions de seuil. Le temps de sortie a également été mesuré, " dit Nathan Burnside, ingénieur en recherche et développement au sein du groupe Science et technologie de la détonation.

Les résultats de l'étude indiquent que le vieillissement modifie considérablement la surface et la taille des particules de PETN non stabilisé, entraînant une augmentation du temps de fonctionnement du détonateur.

« Nous surveillons la santé du détonateur tout au long du temps de fonctionnement - le temps qu'il faut à partir de l'éclatement initial du fil de pont dans le détonateur, qui initie le PETN, pour finalement générer un choc à l'extrémité de sortie du détonateur. Cet événement doit être aussi rapide que possible, et l'augmentation du temps indique l'érosion de la santé du détonateur, " dit Preston.

Les poudres stabilisées avec TriPEON ont affiché des augmentations moins significatives du temps de fonction, tandis que la poudre stabilisée avec du polysaccharide n'a présenté aucun effet de vieillissement, malgré le vieillissement à haute température.

"Nous avons montré que le PETN stabilisé avec un revêtement de polysaccharide présente peu ou pas de changement dans les caractéristiques de la poudre au cours du vieillissement à des températures élevées, à la fois en poudre à écoulement libre et en pastilles de détonateur de faible densité préparées commercialement, " dit Manner. " Fait intéressant, les tensions de seuil mesurées ne semblent pas affectées par le grossissement qui se produit dans la poudre au cours du vieillissement, même avec la poudre non stabilisée. Des études à plus long terme sont en cours pour déterminer si cela continuera d'être une tendance. »

Dans une démonstration de l'engagement du Laboratoire à remplir sa mission principale pendant la pandémie actuelle, ce projet a été réalisé sous les restrictions COVID-19. Étant donné que l'étude sur le vieillissement était sensible au temps, plusieurs membres de l'équipe de recherche ont reçu des autorisations spéciales pour être sur place, et a travaillé dans des laboratoires en utilisant la distanciation sociale et des masques, avec une hygiène méticuleuse. Ils ont effectué 25 à 50 tests d'explosifs par jour, démonter environ 30 détonateurs et imager des centaines de pièces.

D'autres travaux sont en cours pour explorer les effets du vieillissement sur diverses températures et sur des échelles de temps plus longues. L'équipe de Los Alamos est composée de scientifiques et d'ingénieurs de la science et de la technologie des explosifs, Science et technologie de la détonation, Sciences et technologies neutroniques, et les groupes d'intégration de la production de sécurité nucléaire.