Зажигание пиротехнического состава (перхлорат аммония + ультрадисперсный алюминий) лазерными импульсами

вания состава выделяющихся в процессе предварительного прогрева азидов свинца, серебра и таллия газов показали следующее. Во-первых, во всем исследуемом интервале температур (290...390 К) имеет место выделение азота, кислорода, оксида и диоксида углерода, паров воды; во-вторых, после прогрева образцов при заданной температуре в течение 3 ч газовыделение прекращается; в-третьих, при хранении образцов в атмосферных условиях коли-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Суровой Э.П., Шурыгина Л.И., Бугерко Л.Н. Закономерности формирования микрогетерогенных систем при фотолизе азида таллия // Химическая физика. - 2003. - Т. 22. - № 9. - С. 24-28.

2. Суровой Э.П., Бугерко Л.Н., Расматова С.В. Фотолиз гетеро-систем «азид таллия - металл» // Химическая физика. - 2003. - Т. 22. - № 6. - С. 17-22.

3. Суровой Э.П., Бугерко Л.Н., Расматова С.В. Фотолиз гетеро-систем «азид свинца - кадмий» // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. - № 2. - С. 95-99.

4. Суровой Э.П., Бугерко Л.Н., Расматова С.В. Фотолиз систем «азид свинца - теллурид кадмия» // Известия Томского политехнического университета. - 2004. - Т. 307. - № 4. - С. 85-88.

5. Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. - М.: Мир, 1975. - 432 с.

6. Стриха В.И., Бузанева Е.В., Радзиевский И.А. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки. - М.: Советское радио, 1974. - 248 с.

чество десорбируемых газов возрастает, однако состав не меняется.

Таким образом, состояние насыщения на кривых изменения КРП азидов, свинца, серебра и таллия (полученных разными методами) с понижением давления и повышением температуры предварительной тепловой обработки следует связать с десорбцией с поверхности образцов донорных и акцепторных молекул газа.

7. Волькенштейн Ф.Ф. Физико-химия поверхности полупроводников. - М.: Наука, 1972. - 399 с.

8. Гаврищенко Ю.В. Фотолиз азидов тяжелых металлов и оптическая сенсибилизация этого процесса органическими красителями: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. - Томск, 1969. - 20 с.

9. Колесников Л.В. Спектры энергетических состояний и некоторые особенности реакции разложения азидов тяжелых металлов: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. - Минск, 1978. - 21 с.

10. Суровой Э.П. Катализ металлами и полупроводниками процесса фотолиза азидов свинца и серебра: Автореф. дис. ... канд. хим. наук. - Минск, 1977. - 20 с.

11. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. - Киев: Наукова думка, 1981. - 340 с.

12. Царев Б.М. Контактная разность потенциалов и ее влияние на работу электровакуумных приборов. - М.-Л.: Гостехиздат, 1949. - 172 с.

13. Матосов М.В. Физика контактной разности потенциалов // Деп. в ВИНИТИ. 1987. - 2270-В87. - 188 с.

УДК 621.373.826.004:662.3

ЗАЖИГАНИЕ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТАВА (ПЕРХЛОРАТ АММОНИЯ + УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЙ АЛЮМИНИЙ) ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ

В.В. Медведев, В.П. Ципилев, А.А. Решетов*

Томский политехнический университет *ГНУ «НИИ ВН при ТПУ». г. Томск E-mail: medvedev@tpu.ru

Приведены результаты экспериментальных исследований по зажиганию пиротехнического состава (перхлорат аммония + ультрадисперсный алюминий) лазерным излучением (Х=1,06 мкм) при различных длительностях лазерных импульсов (4, 2, 0,8 мс, 80 мкс, 30 нс). Измерены пороги и задержки зажигания. Предлагается один из возможных механизмов лазерного воспламенения исследуемого состава.

Известно [1-4], что инициирующие и вторичные взрывчатые вещества (ВВ) при определенных условиях достаточно легко воспламеняются и детонируют под действием лазерного излучения в области спектра, где ВВ прозрачно, т.е. в условиях слабого поглощения, В то же время зажигание вторичных ВВ с открытой поверхностью образца крайне затруднено. Для описания процесса инициирования первичных и вторичных ВВ принята тепловая очаговая модель зажигания. Поэтому представляет интерес исследование зажигания энергетических веществ, в которых реализуются условия достаточно сильного поглощения и, соответственно, облег-

чаются условия создания тепловых очагов с достаточно высокой начальной температурой. Исходя из этого, следует ожидать снижения энергетических порогов зажигания поглощающих сред по сравнению с прозрачными ВВ.

1. Методика эксперимента

В данной работе экспериментально исследовано зажигание в атмосфере воздуха смесевого состава [перхлорат аммония (ПХА) + ультрадисперсный алюминий (УДА), взятыми в стехиометрическом соотношении] лазерным излучением (ЛИ) (А=1,06 мкм) в

широком диапазоне длительностей лазерных импульсов (т=4; 2; 0,8 мс; 80 мкс; 30 нс). Предварительно ПХА квалификации «чда» измельчался в агатовой ступке и просеивался через капроновое сито со средним размером ячеек -85x85 мкм.

Ультрадисперсный порошок алюминия получен электрическим взрывом (напряжение 26 кВ, емкость конденсатора 2,4 мкФ, отношение энергии взрыва к энергии сублимации - 1,6) алюминиевых проводников диаметром 0,35 и длиной 80 мм в среде аргона квалификации «о.с.ч.» при давлении 2,5 атм. Средний диаметр частиц составлял 0,25 мкм, содержание активного алюминия - не более 93 мас. %, форма частиц сферическая, распределение частиц по размерам подчиняется нормально-логарифмическому закону [5]. Полученные порошки имеют пониженную рентгеновскую плотность, которая соответствует плотности алюминия, нагретого на десятки градусов. Реакционная способность таких частиц может быть повышенной [6].

Смесь массой ~6 мг засыпалась в капсулу из по-лиметилметакрилата с внутренним диаметром 2 и глубиной 5 мм (рис. 1). Навески запрессовывались пуансоном в капсулу до давления 400 кГс/см2. Облучалась вся торцевая поверхность образцов, как открытая (рис. 1, а), так и под прикрытием (рис. 1, б).

I ЛИ , ЛИ ,

а)

б)

И

Рис. 1. Схема облучения образцов лазерным излучением (ЛИ): 1) капсула; 2) образец

1

составила не более 20 %. Схема экспериментальной установки при воздействии лазера с миллисекундной длительностью импульса приведена на рис. 2.

Подробнее лазерные установки описаны в работах [1, 7]. Пороги зажигания определялись следующим образом. Вначале строились вероятностные кривые зажигания на интервале от 0 до 100 % (количество зажиганий/количество опытов), как функция от плотности энергии Е падающего излучения при заданных длительностях импульса ЛИ. Каждой точке кривой соответствовала статистика из 25 опытов с разбросом показаний калориметра не более 10 % от среднего значения. За порог зажигания принимались значения Е50, при которых реализовалось 50 %-ное зажигание.

2. Результаты эксперимента

Эксперименты показали, что при воздействии импульса миллисекундной длительности образцы хорошо зажигаются как с открытой поверхностью, так и под прикрытием (рис. 1). Образцы с открытой поверхностью вспыхивали без звука и быстро сгорали, демонстрируя яркий факел высотой более 10 см. В продуктах выброса наблюдались агломерированные частицы алюминия диаметром до 125 мкм и частицы оксида алюминия. Для этой цели, параллельно торцу образца, на расстоянии 10 мм, помещалась стеклянная пластина, на которую осаждались частицы. Наблюдение велось с помощью микроскопа МБС-9. Под прикрытием смеси с некоторой вероятностью или взрывались, или беззвучно сгорали во время или после воздействия ЛИ (рис. 3).

m \

-4

m \

а)

б)

13

14

Рис. 2. Схема установки зажигания пиротехнической смеси импульсным лазером с миллисекундной длительностью импульса: 1, 2) поворотные зеркала, 3) импульсный лазер, 4) калориметр, 5, 7) нейтральный светофильтр, 6, 9) светоделительная пластина, 8) фотоприемник ФЭК-09К, 10) юстировочный лазер ЛГН-109, 11) световодный жгут, 12) фотоприемник ФЭУ-118, 13) поворотная призма, 14) образец

Использовалось излучение двух неодимовых лазеров. Первый генерировал квазипрямоугольный, квазинепрерывный (глубина модуляции не более 30 %) лазерный импульс длительностью 4; 2; 0,8 мс; 80 мкс (многомодовый режим генерации). Второй лазер - импульс длительностью 30 нс (одномодовый режим генерации). Неравномерность засветки облучаемой по нормали торцевой поверхности образца

Рис. 3.

Типичные осциллограммы при воздействии ЛИ на пиротехнические смеси: развертка 0,5 мс/дел, верхний луч - лазерный импульс, нижний - световой сигнал из приповерхностного пространства образца. Образец: а) взорвался; б) сгорел

При уменьшении длительности лазерного импульса пороги зажигания уменьшались (см. таблицу).

Таблица. Величина порога (Е50) и задержки зажигания (т) при разных длительностях ЛИ

Условия облучения Ти Е50, Дж/см2 Т мс

Открытая поверхность (рис. 1, а) 4 мс 0,94 4,5

2 мс 0,80 4,5

0,8 мс 0,56 4,2

80 мкс 0,18 2,6

30 нс 1,45 2,0

Под прикрытием (рис. 1, б) 4 мс 6,00 3,5

2 мс 2,90 1,6

0,8 мс 2,03 0,7

80 мкс 0,76 0,6

30 нс 0,44 0,3

2

По данным таблицы построены кривые зависимости величины порога зажигания от длительности лазерного импульса (рис. 4). Отмечается большой разброс задержки зажигания в интервале Е, в котором строились вероятностные кривые зажигания. При плотностях энергии ЛИ, превышающих Е50 более чем в два раза, временной разброс и задержка зажигания уменьшались (рис. 5).

2

Е50, Дж/см

Г

1

I

й-

¡8

6

5 4

10-8 10"' 10

-7

л-6

10 Ти

"5

10-4 10-3 10

-3

-20

Рис. 4. Зависимость порога зажигания от длительности лазерного импульса. Треугольниками обозначены экспериментальные точки, когда поверхность образца находится под прикрытием; звездочками - открытая поверхность

а Г3, МС

♦ л

«О

0 2

6 8 Е, Дж/см

10

2

12 14

Рис. 5. Зависимость задержки зажигания от плотности энергии ЛИ. Длительность лазерного импульса 0,8 мс, образец под прикрытием

Обсуждение результатов

Прежде всего, обращает на себя внимание тот факт, что в области больших длительностей ЛИ (т>10-4 с) наблюдается увеличение порогов зажигания с ростом ти. Возможное объяснение такой зави-

симости может быть связано с зажиганием, происходящим в результате нагрева объема, ограниченного диаметром лазерного пучка и глубиной проникновения излучения. В пренебрежении диффузным рассеянием средняя температура прогрева в адиабатических условиях равна Т=Е-//ср+Тх, где Е - пороговая плотность энергии; /л - показатель поглощения состава; с - удельная теплоемкость; р - удельная плотность; Тх - температура, обусловленная экзотермической реакцией. В таких условиях тепловой очаг превращается в очаг горения и взрыва.

Совсем другая ситуация возникает в случае, когда процесс создания и развития теплового очага сопровождается интенсивным газовыделением или отводом тепла за счет теплопроводности, т.е. присутствуют релаксационные процессы. Последние характеризуются пространственно-временными масштабами, зависящими от структуры вещества (прессованный, насыпной) и конструкции сборки. Очевидно, что чем больше характерное время тепловой разгрузки очага т^, тем лучше условия его развития в очаг горения и взрыва.

В условиях наших опытов, когда поверхность прессованных образцов прикрыта прозрачным диэлектриком, газоотвод с поверхности ограничен. Основным механизмом отвода тепла в данном случае является теплопроводностный с характерным тепловым пробегом (ати)1/2, где а - температуропроводность. Принимая из рис. 4 трел равным ~10-3 с, можно оценить пространственный релаксационный масштаб как (атрел)1/2~10-2 см ~1/л (а~10-1 см2/с) и проанализировать экспериментальную ситуацию.

В области малых длительностей лазерного импульса за время его воздействия (ти<<трел) разгрузкой очага можно пренебречь, и его развитие определяется запасом тепла независимо от скорости энерговклада. В этом диапазоне длительностей ЛИ критерием инициирования зажигания является плотность энергии Е в лазерном пучке. Необходимое условие такого критерия можно записать в виде: (атрл)1/2<1//.

В области больших длительностей скорость те-плоотвода играет решающую роль в процессе развития очага. Для устойчивого зажигания необходимо некоторое превышение скорости энерговклада над скоростью теплоотвода, поэтому критерием зажигания является плотность мощности излучения с соответствующим условием т>тт.

При воздействии ЛИ на открытую поверхность в режиме короткого моноимпульса пороги зажигания оказались несколько выше, чем ожидалось. Это повышение, по-видимому, обусловлено влиянием экранировки ЛИ эрозионным факелом. Возможно, что механизм зажигания несколько иной, например, за счет оптического пробоя в приповерхностной области образца. Нельзя исключать из рассмотрения роль оптического пробоя и при зажигании в условиях закрытой поверхности.

В области больших длительностей пороги зажигания образцов с открытой поверхностью ниже порогов зажигания образцов под прикрытием. По-

3

2

1

2

1

4

видимому, в условиях относительно медленного нагрева очага газовая фаза способствует его зажиганию за счет химических экзотермических реакций ультрадисперсного алюминия с азотом и кислородом воздуха, поскольку исследования процессов окисления УДА на воздухе [6] показали, что для него характерна низкая температура зажигания

250...450 °С. При этом реакция идет как с кислородом с образованием оксида алюминия, так и с азотом с образованием нитрида алюминия. Тем не менее, более высокая чувствительность открытых образцов указывает на то, что основная реакция разложения происходит в конденсированной фазе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров Е.И., Ципилев В.П. Размерный эффект при инициировании азида свинца лазерным моноимпульсным излучением // Физика горения и взрыва. - 1981. - Т. 17. - № 5. -С. 77-81.

2. Александров Е.И., Вознюк А.Г., Ципилев В.П. Влияние поглощающих примесей на зажигание ВВ лазерным излучением // Физика горения и взрыва. - 1989. - Т. 25. - № 1. - С. 3-9.

3. Карабанов Ю.Ф., Афанасьев Г.Г., Боболев В.К. Зажигание вторичных ВВ коротким импульсом ОКГ // Горение конденсированных систем. - Черноголовка, 1977. - С. 5-8.

4. Таржанов В.И., Зинченко А.Д., Сдобнов В.И. и др. Лазерное инициирование тэна // Физика горения и взрыва. - 1996. -Т. 32. - № 4. - С. 113-119.

5. Яворовский Н.А. Получение ультрадисперсных порошков методом электрического взрыва // Известия вузов. Физика. -1996. - № 4 (Приложение). - С. 114-136.

6. Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. - 154 с.

7. Медведев В.В. Лазер с регулируемой длительностью импульса на базе серийного о.к.г. ГОС-301 // Приборы и техника эксперимента. - 2000. - № 6. - С. 89-91.

УДК 621.039.532.21

ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ПОВРЕЖДАЮЩИХ НЕЙТРОНОВ

НА РЕСУРС РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА

В.И. Бойко, П.М. Гаврилов*, М.Г. Герасим*, А.Г. Кохомский*, В.Н. Мещеряков*, В.Н. Нестеров, А.В. Ратман**, И.В. Шаманин

Томский политехнический университет *ФГУП Сибирский химический комбинат. г. Северск **ФГУП Горно-химический комбинат. г. Железногорск E-mail: nesterov@phtd.tpu.edu.ru

На примере РБМК-1000 произведено определение ресурса реакторного графита с учетом неравномерности энерговыделения по радиусу и высоте активной зоны, а так же по радиусу графитового блока. Приведены: методика обработки массивов эксплуатационных параметров промышленного уран-графитового реактора; распределения объемной плотности тепловыделения с учетом радиального и аксиального профилирования активной зоны; распределения величины ресурса реакторного графита по активной зоне и графитовому блоку.

Введение

Анализ современного состояния исследований свойств реакторного графита и его работоспособности в водографитовых реакторах позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Для корректного определения ресурса графита необходимо учитывать влияние сопутствующего /-излучения [1].

2. Плотность потока /-излучения зависит от места расположения графитового блока в активной зоне, от места в графитовом блоке и типа самого блока. Поэтому необходимо проведение более точных расчетов полей /-излучения, тем более, что в каждой точке блока наблюдается разная плотность потока быстрых нейтронов и эквивалентная температура облучения [2].

3. Для строгого определения ресурса графита необходимо учитывать, что нейтронно- и те-плофизические условия эксплуатации зависят не только от места расположения графита в активной зоне. Они являются немонотонными функциями времени и значительно изменяются в течение кампании.

4. Использование средних интегральных значений плотности потока быстрых нейтронов и температур при определении момента достижения критического флюенса приводит к значительной погрешности.

В связи с этим в данной работе была поставлена задача: разработать метод определения ресурса реакторного графита в различных местах кладки, исходя из параметров эксплуатации реального ядерного реактора.