)高能炸药
(即能量密度极高的炸药)的作用是驱动核武器初级的内爆.这要求高能炸药的爆炸行为要很精确.因此,精确预测各种条件下能量的释放过程是我们认证核武库中核武器的安定性,可靠性和性能时面临的一个重要问题.本文总结了在研究高能炸药性能问题方面的进展:在复杂的三维 几何形状中预测高能炸药的爆轰结果.同时我们也简要介绍了对炸药安定性(意外点火)和可靠性(能重复响应规定的刺激信号)问题的研究工作. 炸药属于易燃物,被称为含能材料,也就是说,它是燃料和氧化剂以分子形式混合的物质.
这类材料对燃烧提供全程支持,其中包括普通燃烧,如火柴头的燃烧.普通燃烧是一个耦合的物理化学过程,在此过程中,有一个将未燃烧的含能材料与已燃烧的含能材料相隔离的燃烧界面,该界面以波的形式穿过样品.放热化学反应开始于火柴头的表面,并燃烧外层材料.释放的热量通过热传导传给相邻未反应的材料层,直到第二层材料点火燃烧,这种一层接一层的燃烧过程,一直持续到整个样品都燃烧完.燃烧波的传播速度相对较低,这是由两层之间能量的传输速率和各层的局部放热化学反应速率决定的. 炸药的燃烧方式却大不相同,它进行的是称之为爆轰的非常高速的燃烧.与普通燃烧波一样,爆轰波从材料的化学反应中获得能量,但其能量的传播方式不是热传导,而是高速压缩波,或冲击波.高压爆轰波在材料中以超音速传播,将材料转化成高温高压的气体产物,该产物能以惊人的速度做机械功.图1为冲击压缩形成爆轰波的过程,在冲击波后跟随着一个自持的Zeldovich-von Neumann-Doring(ZND)爆轰反应区.炸药所能释放的能量多少取决于其能量密度和爆轰波速度.固体高能炸药(如核武器中所使用的高能炸药)的爆轰速度约为8,000 m/s,是炸药中声速的3倍;其释放的能量密度高达5MJ/kg;其初始物质密度约为2,000 kg/m3.上述三个值的乘积为一个巨大的功率密度值:80,000,000 MJ/m2s或8×109 W/cm2.作为比较,爆轰在100 cm表面积上的产生的功率水平相当于整个美国发电能力的全部功率水平!正是固体炸药这种极快的能量释放速率,使它具有非常独特的用处. 传统的武器编码长期使用简单的Champman-Jouguet(CJ)模型来计算高能炸药的性
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