Вибух

Ви́бух — швидкий фізичний та/або хімічний процес, який супроводжує виділення великої кількості енергії в малому об’ємі за короткий проміжок часу, що призводить до різкого підвищення тиску, температури та утворення вибухової хвилі.

У науковій літературі вибух також визначають як раптове перетворення потенційної енергії (хімічної, фізичної або ядерної) в кінетичну енергію газів, що швидко розширюються і виконують механічну роботу.

Теорія вибуху

Теорія вибуху — розділ фізики та інженерії, що вивчає: механізми ініціювання вибуху; кінетику хімічних реакцій; поширення вибухових (ударних) хвиль; енергетичні характеристики (еквівалент тротилу); взаємодію вибуху із середовищем.

Основні підходи: термодинамічні моделі; газодинаміка ударних хвиль; теорія детонації; емпіричні та напівемпіричні моделі. Активно розвивається комп’ютерне моделювання процесів вибуху.

Опис вибуху включає аналіз тиску, температури та швидкості поширення фронту реакції.

Історична довідка

Використання вибухових явищ відоме з давнини (порох у Китаї, І тис. н. е.). У Європі вибухові речовини почали активно застосовувати з 13–14 ст. у військовій справі. Наукове дослідження вибухів почалось у 18–19 ст. (роботи з термодинаміки, газової динаміки, теорії горіння). У 19 ст. створено промислові вибухові речовини (нітрогліцерин, динаміт). У 20 ст. розвиток отримали: теорія детонації [ Я. Зельдович, Дж. фон Нейманн, В. Дерінг (1911‒2006; Німеччина)]; промислова безпека вибухонебезпечних процесів; ядерні вибухи (від середини 20 ст.).

Характеристика

Основні ознаки вибуху:

дуже швидке виділення енергії (за мікро-, мілісекунди);
утворення великої кількості газів або плазми;
різке зростання тиску;
формування вибухової хвилі;
механічна дія (руйнування, переміщення тіл), теплове та акустичне випромінювання.

Класифікація

За природою джерел енергії вибухи поділяють на хімічні, фізичні та ядерні.

Хімічні вибухи

Хімічний вибух — результат надзвичайно швидкої екзотермічної хімічної реакції, яку супроводжує виділення тепла і газів. Основні механізми:

дефлаграція — поширення реакції зі швидкістю меншою за швидкість звуку;
детонація — надзвукове поширення реакції з ударною хвилею.

Умови виникнення («трикутник вибуху»): наявність горючої речовини; окисника (часто кисню); джерела запалювання. Приклади: вибухи вибухових речовин, газо- та пилоповітряних сумішей.

Для виникнення пилових вибухів до трьох основних умов необхідні ще дві: дисперсія пилу і замкнений об’єм (так званий п’ятикутник вибуху). Найбільш потужні пилові вибухи відомі на вугільних шахтах. Вибуховим вважається вугільний пил, який вміщує понад 10 % летких речовин, має зольність і вологість менше 40 %, розмір часток менше 0,1 мм і концентрацію 10‒3 000 г/м³.

Пилові вибухи характерні високими значеннями тиску (до 0,5‒1,0 МПа і більше), температури (до 1 500–2 500 °C) і швидкості поширення фронту (сотні — тисячі м/с у разі детонації). Їхня особливість у тому, що первинний вибух збурює відкладений пил, який утворює нові вибухонебезпечні хмари і призводить до серії вторинних вибухів. Найбільш руйнівні вибухи на шахтах пов’язані з поєднанням метану і вугільного пилу, де пил відіграє роль підсилювача вибуху, забезпечуючи його поширення та значне зростання енерговиділення.

Однією з наймасштабніших катастроф у Європі був вибух на шахті «Куррієр» (Франція; 1906). Ударна хвиля та вторинні вибухи пилу поширилися на десятки кілометрів гірничих виробок. Унаслідок катастрофи загинуло 1 099 осіб, а шахтна інфраструктура зазнала катастрофічних руйнувань; пожежі тривали кілька діб.

Найбільшою у світі гірничою катастрофою вважають вибух на шахті Бенсіху (Китай; 1942). Вибух метано-пилової суміші спричинив швидке поширення фронту вибуху через запилені виробки. Загинуло 1 549 осіб. Значну частину виробок було зруйновано, а багато шахтарів загинули не лише від дії ударної хвилі, а й отруєння продуктами горіння, зокрема чадним газом.

В Україні 2007 трапилась катастрофа на шахті імені Засядька (м. Донецьк). Вибух метано-пилової суміші стався на значній глибині (понад 1 000 м), що сприяло високим тискам і руйнівності процесу. Загинуло понад 100 осіб; вибух супроводжувався серією повторних детонацій.

Фізичні вибухи

Фізичний вибух відбувається без хімічної реакції і зумовлений:

руйнуванням посудини під тиском;
швидким фазовим переходом (наприклад, випаровуванням перегрітої рідини);
раптовим розширенням стисненого газу.

У природі фізичні вибухи відбуваються під час виверження вулканів. Виокремлюють кінетичні вибухи як наслідки зіткнення тіл, що рухаються із великою швидкістю та/або мають велику масу (приклад — зіткнення метеоритів, комет, астероїдів тощо із поверхнею планети або іншим небесним тілом.

Ядерні вибухи

Ядерний вибух зумовлений вивільненням енергії ядерних реакцій:

поділу важких ядер (уран, плутоній);
синтезу легких ядер (термоядерні реакції).

Особливості: надзвичайно велика енергія (у мільйони разів більша за хімічні вибухи); утворення вогняної кулі та потужної ударної хвилі; інтенсивне йонізуюче випромінювання; радіоактивне забруднення. Ядерний вибух супроводжує утворення ядерного гриба — хмари з гарячих продуктів вибуху, яка у характерній грибоподібній формі швидко піднімається в атмосферу. Ядерні вибухи застосовують переважно у військовій сфері.

Найпотужнішим штучним вибухом в історії людства є випробування термоядерного заряду, здійснене 30.10.1961 на полігоні, розташованому на архіпелазі Нова Земля (Росія). Потужність вибуху становила близько 50 Мт у тротиловому еквіваленті (початково проєктна — до 100 Мт), що приблизно у три тисячі разів перевищує енергію вибуху атомної бомби над Хіросімою (Японія). Вибух було здійснено на висоті близько 4 км, що зменшило рівень радіоактивного забруднення поверхні. Унаслідок реакцій термоядерного синтезу утворилась вогняна куля діаметром до 8–10 км, інтенсивне світлове і теплове випромінювання якої могло спричиняти опіки на відстанях понад 100 км. Потужна ударна хвиля ширилась на тисячі кілометрів і була багаторазово зафіксована, коли обходила земну кулю. Характерною ознакою вибуху стало формування ядерного гриба, висота якого сягала приблизно 60–70 км, а діаметр «шапки» — до 90–100 км. Хмара проникла у стратосферу і частково в мезосферу, що є унікальним явищем для атмосферних вибухів. Попри надзвичайну енергію, конструкція заряду була модифікована з метою зменшення радіоактивних опадів: значна частина енергії виділялась за рахунок термоядерного синтезу, а не поділу важких ядер. Водночас вибух супроводжували потужні атмосферні та сейсмічні ефекти, а також електромагнітний імпульс. Випробування продемонструвало граничні можливості створення надпотужних термоядерних зарядів і водночас засвідчило їхню обмежену практичну доцільність через надмірну руйнівну силу та глобальні наслідки для довкілля.

У 1960–1980-х СРСР реалізовував програму так званих «мирних ядерних вибухів» — використання ядерних зарядів для господарських і науково-технічних цілей (створення підземних порожнин, стимулювання видобутку, проведення геофізичних досліджень тощо). Загалом було проведено понад 100 таких «мирних» ядерних вибухів, потужністю від одиниць до сотень кілотонн, підземного або напівпідземного виконання і прикладної спрямованості. Значну частину цих експериментів супроводжувало радіоактивне забруднення, що зумовило згортання програми наприкінці 20 ст. і відмову від подібних практик у міжнародному масштабі.

На території України 09.07.1972 поблизу с. Хрестище (тепер Берестинського району Харківської області) здійснено промисловий ядерний вибух (кодова назва «Факел») з метою припинення аварійного газового викиду. 16.09.1979 підземний ядерний вибух було здійснено на шахті «Юний комунар» в Донецькій області (так званий об’єкт «Кліваж») з метою знизити напругу в гірничому масиві.

Використання вибухів

Вибухи широко застосовують у гірничій справі (видобування корисних копалин шахтним і кар’єрним способом); будівництві (руйнування споруд); військовій техніці; геофізичних дослідженнях; спеціальних технологіях (зварювання вибухом, формування металів); також див. Вибухові роботи.

Вибухобезпека у виробництві

Вибухобезпека — система заходів, спрямована на запобігання вибухам і зменшення їхніх наслідків, серед яких основні:

усунення горючих середовищ або їхніх концентрацій поза межами вибуховості;
контроль джерел запалювання;
герметизація та вентиляція;
використання вибухозахищеного обладнання;
локалізація вибуху (захисні клапани, мембрани).

Література

Zeldovich Ya. B., Kompaneets A. S. Theory of detonation. New York : Academic Press, 1960. 300 p.
Baker W. E. et al. Explosion hazards and evaluation. Amsterdam : Elsevier, 1983. 512 p.
Guidelines for evaluating the characteristics of vapor cloud explosions / Center for Chemical Process Safety (American Institute of Chemical Engineers). New York : AIChE, 1994. 310 p.
Crowl D. A. Understanding explosions. New York : Wiley, 2003. 348 p.
Вибух // Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / За ред. В. С. Білецького. Донецьк : Донбас, 2004. Т. С. 133.
Perry’s chemical engineers’ handbook / Ed. by R. H. Perry, D. W. Green. 8th ed. New York : McGraw-Hill, 2008. 2400 p.
Lees F. P. Lees’ loss prevention in the process industries. 4th ed. Oxford : Butterworth-Heinemann, 2012. 3700 p.
NFPA 921 : Guide for fire and explosion investigations. Quincy : National Fire Protection Association, 2021. 400 p.