Детонация водорода в значительной степени управляется квантовыми механизмами

Группа российских физиков заявила о том, что теоретические расчёты условий детонации некоторых газов были неверны, потому что в них не учитывались квантовые процессы.

Всем памятен взрыв водорода во время фукусимских событий: после перегрева активной зоны реактора вода стала разлагаться на водород и кислород, и эта смесь затем сдетонировала.

Одна из печальных сторон таких процессов заключается в том, что мы, по сути, не знаем, при каких именно условиях — температуре и давлении — они готовы начаться. То есть теория в целом ясна: взрыв происходит тогда, когда горение начинает развиваться со сверхзвуковыми скоростями. Но теоретические расчёты этого процесса для водорода под давлением неизменно расходятся с экспериментальными результатами.

Причём прилично: при 700–800 К детонация происходит через тысячекратно меньшее время, чем по всем теоретическим моделям.

2-1_5.jpg Рис. 1. Можно ли было, зная механизм детонации, реализовать систему учёта и эвакуации водорода из контура охлаждения фукусимской АЭС так, чтобы избежать взрыва? (Фото CC BY-SA 3.0 / KEI).

Почему? Академик Владимир Фортов и его коллеги из Объединённого института высоких температур РАН вместе с физиками из Троицкого института инновационных и термоядерных исследований предположили, что

такой сильный разрыв, характерный и для ряда других процессов горения и детонации, обусловлен квантовыми корректировками, которые не учитываются в существующих моделях расчёта подобных процессов.

Рассматривая классическое распределение Максвелла — Больцмана, учёные пришли к выводу, что квантовомеханические эффекты должны существенно влиять на форму наиболее энергетически нагруженной части этого распределения. В обычных термодинамических процессах, где скорости даже самых быстрых молекул относительно близки к средней, это считалось незначимым, о роли таких факторов, как правило, упоминали только в связи с термоядерным синтезом в плотной плазме.

Однако сейчас удалось показать, что

на деле процесс важен и для детонации, начало которой требует участия молекул с энергиями, весьма далёкими от средних кинетических энергий газа в целом.

Применив разработанные ими модели для аргоновой атмосферы, содержащей 2% молекулярного кислорода и 4% молекулярного водорода, россияне обнаружили, что их теоретические расчёты полностью совпадают с экспериментальными данными о начале детонации. Сходные результаты были получены и для детонации ацетилена, способного взрываться и без окислителя, просто за счёт разложения при сжатии.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (8 votes)
Источник(и):

1. physicsworld.com

2. compulenta.ru