detonasjon

Enkelte kjemiske stoffer eller stoffblandinger inneholder betydelig med kjemisk energi som kan frigjøres hurtig i kjemiske reaksjoner. Slike reaksjoner er typisk sterkt eksoterme, som vil si at de avgir varme.

Når slike materialer aktiveres ved å tilføre energi, for eksempel gjennom oppvarming, kan de eksoterme reaksjonene bre om seg i uberørt materiale på to forskjellige måter: deflagrasjon eller detonasjon. Begge reaksjonene ligner gjerne på de kjemiske reaksjonene som finner sted i en forbrenning.

Evne til deflagrasjon og detonasjon er ikke nødvendigvis konstante egenskaper for et gitt stoff eller stoffblanding. Samme stoff eller blanding kan deflagrere under noen forhold, mens de kan detonere under andre. For eksempel vil nitroglyserin i dynamitt detonere ved bruk av sprenghette, mens det vil deflagrere i et rakettkrutt i en faststoffmotor.

Deflagrasjon er vanligst. I en deflagrasjon brer de kjemiske reaksjonene seg sjiktvis utover i det uberørte materialet gjennom varmeoverføring. Dette foregår gjennom varmeledning, konveksjon og varmestråling.

Forbrenning i forbrenningsmotorer, der drivstoff er blandet opp med luft og antent, er deflagrasjoner. Krutt og pyrotekniske stoffer vil som regel også omsettes gjennom deflagrasjon, men her trengs ingen tilførsel av luft fordi oksidasjonsmidler allerede befinner seg i blandingen.

Ved kraftig deflagrasjon vil det kunne utvikles et lokalt overtrykk. Blir overtrykket stort nok, kan det oppstå en sjokkbølge. Blir denne sjokkbølgen tilstrekkelig sterk, kan den komprimere materialet foran seg så kraftig at temperaturen i et tynt sjikt av materialet gjennom adiabatisk kompresjon blir så høyt at kjemiske reaksjoner igangsettes nærmest spontant.

Hvis de kjemiske reaksjonene som da oppstår i det tynne sjiktet avgir nok energi, kan de opprettholde sjokkbølgen og drive den videre fremover. Når et slikt system av selvopprettholdende reaksjonssone med tilhørende sjokkbølge har oppstått, kalles reaksjonsprosessen for detonasjon. Sjokkbølger brer seg alltid med hastigheter høyere enn lydhastigheten (supersonisk hastighet).

Reaksjonssonen med tilhørende sjokkbølge i front kalles for detonasjonsbølge. Denne beveger seg gjennom uberørt materiale med en konstant hastighet som er høyere enn lydhastigheten i det uberørte materialet. Lydhastigheten i faste stoffer og væsker, som er mest relevant for sprengstoffer, er for øvrig gjerne betydelig høyere enn lydhastigheten i luft.

Spredningshastigheten til detonasjonsbølgen kalles for detonasjonshastigheten. For flytende eller faste sprengstoffer kan denne være på tusenvis av meter per sekund. For eksempel er detonasjonshastigheten rundt 7000 m/s for TNT, 8000 m/s for nitroglyserin og 9000 m/s for HMX. For et gitt stoff eller stoffblanding, er detonasjonshastigheten en tilnærmet konstant størrelse.

Tettheten til materialet som gjennomgår en detonasjonsbølge, er betraktelig høyere enn i det uberørte materialet. Det lokale trykket kan bli ekstremt høyt, spesielt for faste sprengstoffer, der det kan nå flere titalls GPa (flere hundre tusen bar). Dette kalles for detonasjonstrykket, og det er størrelsen på dette trykket som i stor grad avgjør hvor brisant sprengstoffet er.

Begrepene detonasjon og eksplosjon har vært brukt siden middelalderen, men de har ofte blitt brukt mer eller mindre tilfeldig om hverandre. Historiens første kjente energetiske materiale, svartkrutt, kan gi eksplosjoner, men det er ikke i stand til å detonere og vil deflagrere under alle forhold.

Det første stoffet man oppdaget som kunne detonere var antagelig såkalt knallgull, en heterogen og følsom kjemisk forbindelse som hovedsakelig består av gull og nitrogen. Den fås når metallisk gull løses opp i kongevann og deretter tilsettes ammoniakk. Det felles da ut av løsningen som et gul- eller grønnfarget pulver (andre fargenyanser forekommer også).

Knallgull ble først beskrevet i 1585. I århundrene etter ble det studert av så å si alle kjemikere av betydning til langt utpå 1800-tallet. Alle var tydelig fascinert av virkningene når stoffet detonerte ved slag eller forsiktig oppvarming. Siden knallgull raskt slo hull på beholderen den ble antent i, gav dette opphav til en pussig formening om at virkningen av stoffet kun virket nedover.

Den første som brukte ordet detonasjon i en betydning som ligner dagens bruk var den britiske kjemikeren Frederick Augustus Abel (1827–1902) i en publikasjon i 1869. Abel var en eksplosivekspert som først og fremst arbeidet med nitrocellulose (skytebomull).

Detonasjon som distinkt fenomen ble oppdaget og beskrevet i 1881 av de franske kjemikerne Marcellin Berthelot (1827–1907), Paul Marie Eugène Vieille (1854–1934), Ernest-François Mallard (1833–1894) og Henry Louis Le Châtelier. Deres studier omhandlet detonasjon i gasser.

En teoretisk modell for detonasjon ble utviklet i 1899 av den engelske kjemikeren David Leonard Chapman (1869–1958) og i 1905 av den franske ingeniøren Jacques Charles Émile Jouguet (1871–1943). Modellen kalles ofte for Chapman-Jouguet-modellen og danner grunnlaget for moderne typer termokjemisk programvare som brukes for å beregne detonasjonshastigheter til kjemiske stoffer og blandinger.

En mer sofistikert teoretisk modell for detonasjon, den såkalte ZND-modellen, ble senere utviklet av fysikerne Yakov Borisovich Zeldovich (1914–1987), John von Neumann (1903–1957) og Werner Döring (1911–2006) under andre verdenskrig, et arbeid de gjorde uavhengig av hverandre.