Detonation
Eine Detonation ist eine Form einer Explosion, bei der die chemische Reaktion des Explosivstoffes mit einer Stoßwelle gekoppelt ist. Ein Explosivstoff, der für eine Explosionsreaktion in Form einer Detonation ausgelegt ist, wird als Sprengstoff bezeichnet. Eine Detonation ist vom äußeren Druck und der Temperatur weitgehend unabhängig. Ein Einschluss ("Verdämmung") des Sprengstoffes ist nicht erforderlich.
Im Gegensatz dazu sollen Treibmittel in Form einer Deflagration explodieren, also sehr schnell und kontrolliert unter Gasentwicklung abbrennen und dabei mechanische Arbeit leisten, etwa ein Geschoß aus einem Gewehrlauf treiben. Die Deflagration ist druck- und temperaturabhängig. Eine Deflagration kann sich unter Einschluß durch Massenträgheit oder Verdämmung beschleunigen und in manchen Stoffen in eine Detonation übergehen. Eine Detonation in einem Gewehr würde dessen Zerstörung bewirken.
Bei einer Detonation durchläuft eine sehr schmale, fast flächenartige Reaktionszone den Sprengstoff mit einer Geschwindigkeit, die größer als die Schallgeschwindigkeit des unzersetzten Sprengstoffes ist, ausgehend vom Ort der Initiierung. Innerhalb dieser nur wenige Mikrometer breiten Detonationsfront herrschen sehr hohe Drucke bis 500 kbar und sehr hohe Temperaturen bis 6000 °C; die Materie ist hochverdichtet, ionisiert (d.h. elektrisch leitend) und emittiert Licht, erkennbar als Detonationsblitz. Der Sprengstoff reagiert innerhalb der Reaktionszone unter Energiefreisetzung zu den meist gasförmigen Endprodukten. Diese Reaktionsenergie kompensiert den dissipativen Energieverlust, der eine Stosswelle in einem nicht reaktiven Material (beispielsweise Stahl, Wasser oder Luft) mit der Zeit abschwächt und schließlich totlaufen läßt.
Eine Detonation ist eine Stosswelle, die mit einer energieliefernden chemischen Umsetzung des Ausbreitungsmediums gekoppelt ist und von dieser aufrechterhalten wird.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Detonationsfront durch den Sprengstoff bewegt, wird als Detonationsgeschwindigkeit bezeichnet.
Nach einer gewissen Anlaufstrecke, die von der Art der Initiierung abhängt, stellt sich eine stabile Detonationsgeschwindigkeit ein, die nur von den Eigenschaften des Sprengstoffs und der Krümmung der Detonationsfront abhängt.
Die bei den Sprengstoffdaten angegebenen Werte für die Detonationsgeschwindigkeiten gelten für eine ebene Detonationsfront und liegen zwischen 2000 bis 10000 m/s.
Bei einer Sprengstoffsäule mit konstantem kreisförmigem Querschnitt ist die Detonationsgeschwindigkeit umso kleiner, je kleiner der Durchmesser der Säule ist. Wird ein bestimmter, hauptsächlich von den Sprengstoffeigenschaften und geringfügig von der Festigkeit des Einschlusses abhängiger kritischer Durchmesser unterschritten, dann kann sich die Detonation entlang der Säule nicht zuverlässig fortpflanzen und reißt auch nach sehr starker Initiierung ab.
Die Detonationsgeschwindigkeit hängt von der Energiedichte des Sprengstoffes ab, wobei nur die innerhalb von 0,1 µs nach Eintreffen der Detonationsfront freigesetzte Reaktionsenergie zur Detonationsgeschwindigkeit beiträgt.
Ist die chemische Umsetzung innerhalb der Detonationsfront praktisch vollständig, so handelt es sich um eine Ideale Detonation, welche durch die Chapman-Jouguet-Theorie mit hinreichender Genauigkeit beschrieben wird. Nichtideale Detonationen mit verzögerten Reaktionen und einer breiteren, dreidimensionalen Reaktionszone versucht man mit aufwendigen Computersimulationen zu simulieren. Ein wichtiges Beispiel für einen nichtideal detonierenden Sprengstoff ist TATB.
Entscheidend für die Stärke eines Sprengstoffes ist vor allem der Detonationsdruck, welcher ungefähr proportional zum Quadrat der Detonationsgeschwindigkeit und zur Dichte des Sprengstoffes ist.
Trifft eine Detonationsfront auf einen angrenzenden Körper, so wirkt dies wie ein extrem starker Schlag, der sehr starke Beschleunigungen bewirkt. Die dabei auftretenden Kräfte betragen ein vielfaches der zwischenatomaren Bindungskräfte. Es gibt kein Material, das dem Detonationsstoß eines brisanten Sprengstoffes unmittelbar standhalten kann. In einer mehr oder weniger breiten Zone wird durch einen Detonationsstoß die chemische Struktur des Targetmaterials zerrissen.
Eine Detonation kann außer in festen und flüssigen Sprengstoffen auch in explosiven Gas-Gemischen und sogar in nuklearem Brennmaterial (z. B. bei einer Supernova vom Typ Ia) auftreten. Entgegen verbreiteter anderslautender Aussagen tritt bei Atombombenexplosionen in der Regel jedoch keine Detonation in der nuklearen Komponente auf; bei Kernspaltungsbomben zum Beispiel gibt es überhaupt keine Reaktionsfront.
Die im Sprengmittel auftretende Stoßfront breitet sich nach Verbrauch des Sprengmittels auch in das umgebende Medium aus und bildet eine typische Explosionsdruckwelle. Allerdings kann auch eine Deflagration eine Stoßwelle im umgebenden Medium auslösen, wenn in diesem die Schallgeschwindigkeit erheblich niedriger als im deflagrierenden Brennstoff ist.
Die als Klopfen bezeichnete unerwünschte Frühzündung in Verbrennungsmotoren kann zu einer Detonation führen und erheblichen Schaden am Motor anrichten.
Literatur
- D.L.Chapman: Phil. Mag. (Lond. Edinb. Dubl.) 47, 90 (1899)
- E.Jouguet: J. Math. Pure Appl. 60, 347 (1905); 61,1 (1906)
- J.Taylor: "Detonation in Condensed Explosives", Clarendon Press, Oxford 1952
- J.Neumann, R.D.Richtmeyer: J. Appl. Phys. 21, 232 (1950)
- C.E.Anderson, J.S.Wilbeck, J.C.Hokanson, J.R.Asay, D.E.Grady, R.A.Graham, M.E.Kipp, in Y.M. Gupta: "Shock Waves in Condensed Matter - 1985", Plenum Press, New York 1986
- J.M.Walsh, R.H.Christian: Phys. Rev. 97, 1544-56 (1955)
Siehe auch: