Какие материалы используются в современной энергетике?

Использование взрывчатых веществ в энергетике

При производстве боеприпасов – мин, гранат, снарядов – основная задача состоит в том, чтобы нанести наибольший урон цели. В самом общем смысле повреждение вызывается передачей энергии от боеголовки к цели.

Энергия обычно носит механический характер и принимает форму ударной волны или кинетической энергии осколков. В любом случае необходимо высвободить большое количество энергии. Для многих боеголовок эта энергия хранится в виде химических взрывчатых веществ.

Существует множество химических реакций, в которых выделяется энергия. Они известны как экзотермические реакции. Если они протекают медленно, высвобождаемая энергия будет рассеиваться, и, кроме повышения температуры, другие эффекты будут малозаметны. С другой стороны, если реакция протекает очень быстро, энергия не успевает рассеиваться. Таким образом, большое количество энергии, вложенное в относительно небольшой объем, проявится в быстром расширении горячих газов, что, в свою очередь, создаст ударную волну.

Основные типы веществ, взаимодействие которых вызывает взрывные химические реакции:

• металл + кислород + оксид металла (например, ZnO или PbO);
• углерод + кислород + угарный газ;
• водород + кислород + вода;
• угарный газ + кислород + двуокись кислорода;
• смесь азота, водорода и кислорода при избытке последнего.

Для накопления большого количества энергии в небольшом объёме жизненно важна скорость реакции. Материалы современной энергетики с медленно протекающими реакциями позволяют рассеивать выделяемую энергию. Взрыв же создаёт либо ударную волну, либо выбрасывает осколки во все стороны. Если выделение энергии медленное, ударная волна будет постепенной и растянутой, а скорость фрагмента будет низкой. Бурная реакция характеризуется очень резкой ударной волной и большими скоростями осколков. Эта скорость реакции называется бризантностью или разрушительной способностью взрыва. Бризантность считается свойством взрывчатого материала и различается степенью удержания. Именно скорость реакции используется в качестве метода классификации взрывчатых материалов.

Для мирных применений используют слабые взрывчатые вещества, например, порох. Они выделяют большое количество энергии, которая более полезна в качестве топлива, когда расширение газов используется для быстрого перемещения предметов.

Применение порохов и ракетного топлива

Слабые взрывчатые вещества, иногда называемые химическими пропеллентами, обеспечивают значения удельного импульса в диапазоне 175 … 400 секунд.

Различные значения удельных импульсов достигаются варьированием температуры выхлопных газов и и их молекулярной массой. С этой точки зрения эффективное ракетное топливо должно иметь большую теплоту сгорания для получения высоких температур и производить продукты сгорания, содержащие простые лёгкие молекулы, содержащие такие элементы, как водород, углерод, кислород, фтор и более легкие металлы. (алюминий, бериллий, литий). Традиционный порох представляет собой смесь 15% древесного угля, 15% серы и 75% селитры (нитрата калия).

Еще одним важным фактором является плотность топлива. Нужный вес пороха может перевозиться в меньшем и более лёгком баке, чем такой же вес пороха низкой плотности. Жидкий водород, например, энергоёмок, а его дымовые газы легки. Однако это очень громоздкое вещество, требующее больших резервуаров. Собственный вес этих резервуаров частично компенсирует высокий удельный импульс водородного топлива.

При выборе топлива необходимо учитывать и другие критерии. Некоторые химические вещества, которые дают отличный удельный импульс, создают проблемы в работе ракетного двигателя. Некоторые из них не подходят в качестве охлаждающих жидкостей для горячих стенок напорной камеры. Другие проявляют особенности горения, которые делают их использование затруднительным или невозможным. Некоторые из них нестабильны в той или иной степени, и их нельзя безопасно хранить или обрабатывать. Такие особенности препятствуют их использованию в ракетно-космической технике.

К сожалению, почти любое ракетное топливо чрезвычайно токсично. Авиационный бензин, хотя и прост в применении, но легко воспламеняется, и с ним нужно обращаться осторожно.

Некоторые виды ракетного топлива настолько агрессивны, что для их нейтрализации можно использовать лишь несколько специальных веществ, устраняющих опасность самопроизвольного возгорания при контакте с воздухом, металлами или при контакте с любым органическим веществом.

Пиротехнические составы в энергетической отрасли

Основные пиротехнические устройства просты: они состоят из картонной оболочки, которая удерживает компонент взрыва, и подъёмного заряда, который подбрасывает компонент взрыва в воздух. Подъемный заряд воспламеняется через предохранитель. Второй предохранитель (с выдержкой времени) воспламеняется от подъёмного заряда. Через несколько секунд после взлета второй взрыватель поджигает взрывной заряд, который распространяет свой огненный груз по всему ночному небу.

Хотя наиболее распространенным топливом в фейерверках является порох, всё большее распространение получают композитные составы, в которых окислители сочетаются с топливом, используемым в аэрокосмической промышленности. С энергетическими материалами (полибутадиеном с концевыми гидроксильными группами) комбинируются окислители - перхлорат или нитрат аммония, полибутадиенакрилонитрил или триметилентринитрамин, которые увеличивают тягу, необходимую для запуска петарды.

Таким образом, любой пиротехнический состав включает:

• Само топливо (серу, углерод, магний или алюминий);
• Окислители - нитраты или перхлоратные соли;
• Красящие вещества (обычно металлы или соли металлов);
• Связующие вещества, например, красную камедь (акароидную смолу), которая удерживает гранулы вместе.

Энергетические материалы, которые применяются в качестве пиротехнических составов, могут содержать любой вид топлива, стабильного в обычных условиях окружающей среды, но горящего при воспламенении.

Для создания дополнительной яркости могут использоваться горючие металлы, например, магний, или смеси (термит).