Les recherches menées sur le supercalculateur Quartz du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) mettent en évidence les découvertes faites par des scientifiques qui révèlent un aspect manquant de la physique des points chauds dans TATB (1, 3, 5-trimamino-2, 4, 6-trinitrobenzène) et d'autres explosifs.

Les points chauds sont des régions localisées de température élevée qui se forment à partir de l'effondrement induit par un choc de la porosité microstructurale et sont connus pour régir les propriétés d'amorçage et de détonation des explosifs. Le concept principal derrière les points chauds est que les températures locales élevées accélèrent la chimie locale.

La recherche est présentée dans le numéro du 11 mars du Journal des lettres de chimie physique et était une collaboration entre LLNL et Purdue University. Les auteurs incluent Matthew Kroonblawd de LLNL et Brenden Hamilton, Chunyu Li et Alejandro Strachan de Purdue.

Le travail met en évidence un aspect physique négligé des premiers stades de la formation et de l'évolution des points chauds qui fournit une voie pour améliorer systématiquement les modèles multiphysiques d'initiation de choc et de détonation utilisés pour évaluer les performances et la sécurité.

"L'un des résultats les plus déroutants des premières simulations de dynamique moléculaire réactive est que les points chauds formés au niveau des pores effondrés réagissent beaucoup plus rapidement que ceux de taille équivalente, température et pression dans le matériau en vrac, " dit Strachan. " Bien que reconnu, la raison de ces différences n'a pas été comprise. Notre étude résout cette question en ce sens que nous trouvons que le matériau explosif dans un pore effondré est fondamentalement différent de la masse et qu'il est dans un état de haute énergie amorcé pour les réactions chimiques. »

Importance de comprendre les points chauds

Le TATB est un explosif hautement insensible essentiel au stock nucléaire de la nation et est difficile à modéliser à l'échelle du continuum. Les modèles d'ingénierie pour la sécurité explosive et les performances de détonation reposent sur des modèles physiques centrés sur la formation et la croissance des points chauds.

Kroonblawd a expliqué que « les modèles multiphysiques au niveau du continu utilisés pour évaluer la sécurité et les performances sont hautement empiriques, ce qui rend difficile la création de modèles explosifs transférables à différentes conditions d'application. Le manque de modèles transférables est particulièrement vrai pour les explosifs brisants insensibles tels que le TATB. Il n'est toujours pas possible de construire un modèle explosif à partir de principes premiers, indiquant que des aspects clés manquent à notre compréhension de la physique et de la chimie des points chauds. »

Ces modèles reposent sur des traitements précis de la réactivité chimique et du transport thermique; la croissance et la fusion des points chauds en une onde de détonation est déterminée par une compétition entre le taux de génération de chaleur due à la chimie et la perte de chaleur due à la conduction thermique.

L'identification de la cause des différences dans les taux de réaction des points chauds ouvre la voie à la formulation de modèles explosifs plus généraux qui amélioreront leur précision prédictive et leur transférabilité. Alors que ces modèles se sont généralement concentrés sur la température comme principale variable de contrôle chimique, les résultats suggèrent que la refonte de ces modèles en termes d'énergie potentielle produira un traitement plus général qui peut distinguer les différentes réactivités des différents états matériels.

Grâce à des simulations de dynamique moléculaire tout atomique, les chercheurs ont découvert que les points chauds ne sont pas seulement des régions d'énergie cinétique localisée (ou de température), mais sont aussi des régions d'énergie potentielle localisée. La quantité d'énergie potentielle est bien supérieure à la quantité d'énergie cinétique et elle est concentrée dans les modes moléculaires pertinents pour la décomposition chimique.

La localisation de l'énergie potentielle se manifeste en raison de contraintes au niveau moléculaire dans les régions déformées plastiquement du matériau, ce qui conduira à une accélération mécanochimique des réactions.

"La clé à retenir est qu'il n'y a pas de relation univoque entre l'énergie cinétique et potentielle dans ces systèmes, Par conséquent, on ne peut pas déduire les vitesses de réaction locales du seul champ de température, ", a déclaré Hamilton.

L'équipe effectue des simulations à grande échelle

L'oeuvre, menée par le personnel de la Division des sciences des matériaux du Centre des matériaux énergétiques LLNL (EMC) et du Département d'ingénierie des matériaux de Purdue, a été soutenu par le programme d'initiative stratégique de recherche et développement dirigé par le laboratoire de LLNL avec Lara Leininger, directeur CEM, comme chercheur principal. Le travail consistait à exécuter des simulations tout-atome à grande échelle sur la machine informatique Livermore Quartz, et ces simulations ont été effectuées à l'aide du temps de calcul accordé par le biais du grand défi informatique de LLNL.

Pour étudier les propriétés de relaxation à long terme de l'énergie cinétique et potentielle dans les points chauds, l'équipe a développé une nouvelle méthode appelée Shock Trapping Internal Boundaries.

"Généralement, les simulations de choc sont limitées dans le temps au moment où une onde de choc atteint la limite de simulation en aval, qui génère des ondes de réflexion altérant l'état, " dit Hamilton. " Dans notre méthode, on peut isoler le hotspot, ou toute région d'intérêt, empêchant les réflexions d'interagir avec lui pour permettre une étude continue de l'évolution du temps."

Cela a permis à l'équipe de quantifier les taux de relaxation de l'énergie cinétique et potentielle afin de déterminer que l'énergie potentielle du point chaud persiste après que la conduction thermique ait dissipé l'énergie cinétique.

Les simulations de dynamique moléculaire prédisent que plus d'énergie potentielle est localisée dans les points chauds que leur énergie cinétique (ou température) ne le suggère. L'excès d'énergie potentielle est lié à des états moléculaires tendus persistants qui sont amorcés pour des réactions chimiques et expliquent pourquoi les points chauds réagissent plus rapidement que la masse.