Góc nhìn khoa học: Đặc điểm của vụ nổ ở Beirut

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Tin tức bi thảm về một vụ nổ lớn ở Beirut, lấy những dòng đầu tiên của nguồn tin tức, đặt ra câu hỏi tự nhiên: làm thế nào điều này có thể xảy ra, điều gì đã bùng nổ ở đó, do những yếu tố nào có thể xảy ra sự cố như vậy? Để tìm ra nó, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các đặc tính của nitrat amoni và các mối nguy hại liên quan đến nó.

Điều gì đã xảy ra ở Beirut

Tóm lại, tình hình như sau: sáu năm trước, con tàu Rhosus vào cảng biển Beirut để sửa chữa đột xuất. Nó thuộc về công ty của Igor Grechushkin, một người gốc Khabarovsk. Các nhà chức trách cảng đã không giải phóng tàu do thiếu sót trong hệ thống an ninh và tài liệu hàng hóa. Dần dần, nhóm nghiên cứu rời Rhosus, và hàng hóa của họ, bao gồm 2.750 tấn amoni nitrat, được chuyển đến một nhà kho ở cảng, nơi nó được lưu trữ trong sáu năm tiếp theo. Các điều kiện bảo quản hóa ra không đủ độ tin cậy, do đó, để hạn chế việc tiếp cận hàng hóa này, các công việc hàn đã được thực hiện tại nhà kho, do tổ chức an toàn không phù hợp, các pháo hoa được lưu trữ trong cùng một kho sau đó đã bốc cháy.

Một đám cháy bắt đầu, được hỗ trợ bởi quá trình đốt cháy và pháo hoa. Sau một thời gian, amoni nitrat được lưu trữ sẽ phát nổ. Làn sóng xung kích từ vụ nổ này đã gây ra một tác hại lớn đối với các khu vực xung quanh Beirut: ngày nay có hơn 130 người chết và con số của họ tiếp tục tăng lên khi ngày càng có nhiều thi thể được phát hiện trong khi tháo dỡ đống đổ nát của các tòa nhà và công trình kiến trúc. Hơn năm nghìn người bị thương.

Ảnh chụp từ không gian do vệ tinh Kanopus-V chụp. Ảnh trên là ngày 4 tháng 11 năm 2019 và ảnh dưới là một ngày sau vụ nổ. / © Roskosmos.ru

Một số lượng lớn các ngôi nhà bị hư hại ở các mức độ khác nhau, việc phá hủy đã ảnh hưởng đến một nửa số tòa nhà ở Beirut, khoảng 300 nghìn cư dân bị mất nhà cửa. Theo thống đốc thủ đô Lebanon, Marwan Abboud, thiệt hại do vụ nổ ước tính từ 3 đến 5 tỷ USD. Hình ảnh từ không gian của cảng Beirut, được chụp trước và sau thảm kịch, cho thấy một khu vực bị tàn phá liên tục xung quanh toàn bộ khu vực cảng. Ba ngày quốc tang đã được tuyên bố ở Lebanon.

Amoni nitrat là gì

Amoni nitrat, hoặc amoni nitrat, là một muối amoni của axit nitric, có công thức hóa học NH₄NO₃ và bao gồm ba nguyên tố hóa học - nitơ, hydro và oxy. Hàm lượng nitơ cao (khoảng một phần ba trọng lượng) ở dạng dễ dàng được cây trồng hấp thụ nên có thể sử dụng rộng rãi nitrat amoni làm phân bón nitơ hữu hiệu trong nông nghiệp.

Như vậy, amoni nitrat được sử dụng cả ở dạng tinh khiết và như một phần của các loại phân bón phức hợp khác. Phần lớn các máy muối được sản xuất trên thế giới được sử dụng chính xác trong công suất này. Về mặt vật lý, amoni nitrat là chất kết tinh màu trắng, ở dạng công nghiệp ở dạng hạt với nhiều kích thước khác nhau.

Nó có tính hút ẩm, tức là nó hút ẩm tốt từ khí quyển; trong quá trình lưu trữ có xu hướng đóng cục, hình thành các khối lớn dày đặc. Do đó, nó được lưu trữ và vận chuyển không phải ở dạng khối rắn chắc mà trong các túi dày đặc và bền, không cho phép hình thành các khối đóng cục lớn khó lỏng ra.

Hoạt động nổ mìn trong các mỏ lộ thiên sử dụng amoni nitrat như một phần của vật liệu nổ công nghiệp / ©Flickr.com.

Amoni nitrat là một chất oxi hóa mạnh. Ba nguyên tử oxy tạo nên phân tử của nó chiếm 60 phần trăm khối lượng. Nói cách khác, amoni nitrat có hơn một nửa là oxy, dễ dàng giải phóng khỏi phân tử của nó khi đun nóng. Sự phân hủy nhiệt nitrat xảy ra dưới hai dạng chính: ở nhiệt độ dưới 200 độ, nó phân hủy thành nitơ oxit và nước, và ở nhiệt độ khoảng 350 độ trở lên, nitơ tự do và oxy tự do được hình thành đồng thời với nước. Điều này phân tách amoni nitrat thành loại chất oxy hóa mạnh và xác định trước việc sử dụng nó trong sản xuất các chất nổ khác nhau, vốn cần có chất oxy hóa.

Amoni nitrat - một thành phần của vật liệu nổ công nghiệp

Amoni nitrat được bao gồm trong nhiều loại vật liệu nổ công nghiệp và được sử dụng rộng rãi trong việc này, chủ yếu là trong công nghiệp khai thác mỏ. Con người vẫn chưa phát minh ra thứ gì hiệu quả hơn một vụ nổ để phá hủy đá. Do đó, hầu hết mọi công việc với họ đều dựa trên một vụ nổ: từ khai thác trong mỏ đến mở các vết cắt và khai thác đá.

Ngành công nghiệp khai thác mỏ tiêu thụ một lượng thuốc nổ rất lớn, và mỗi xí nghiệp khai thác hay mỏ than luôn có nhà máy sản xuất thuốc nổ riêng, được tiêu thụ với số lượng lớn. Giá thành tương đối rẻ của amoni nitrat nên có thể sử dụng nó để sản xuất hàng loạt các loại vật liệu nổ công nghiệp.

Và ở đây, chúng ta có thể ghi nhận bề rộng đáng kinh ngạc của sự hình thành các hệ thống nổ bằng amoni nitrat. Bằng cách trộn nitrat theo đúng nghĩa đen với bất kỳ chất dễ cháy nào, bạn có thể tạo ra một hệ thống nổ. Hỗn hợp nitrat với bột nhôm thông thường tạo thành hỗn hợp, do đó được gọi là nitrat AMMONIUM - NHÔM. 80% khối lượng của amoni là amoni nitrat. Ammonals rất hiệu quả, chúng có khả năng nổ đá rất tốt, một số giống được gọi là đá ammonals.

Nổ hàng loạt trong quá trình khai thác / © Flickr.com.

Nếu bạn tẩm nitrat với nhiên liệu diesel, bạn sẽ có được một loại vật liệu nổ công nghiệp khác - igdanites, được đặt theo tên của Viện Khai thác, Viện Khai thác của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô. Saltpeter có khả năng tạo thành hỗn hợp nổ khi được ngâm tẩm với bất kỳ chất lỏng dễ cháy nào, từ dầu thực vật đến dầu nhiên liệu. Các loại thuốc nổ dựa trên nitrat khác sử dụng phụ gia của các chất nổ khác nhau: ví dụ, đạn (không chỉ là động vật chân đầu hóa thạch) chứa TNT hoặc RDX. Ở dạng tinh khiết, amoni nitrat cũng dễ nổ và có thể phát nổ. Nhưng cách kích nổ của nó khác với kích nổ của vật liệu nổ công nghiệp hay quân dụng. Những gì chính xác? Hãy để chúng tôi nhắc lại ngắn gọn về sự phát nổ là gì và nó khác với sự đốt cháy thông thường như thế nào.

Sự phát nổ là gì

Để các phản ứng cháy bắt đầu trong các chất dễ cháy, các nguyên tử của nhiên liệu và chất ôxy hóa phải được tạo tự do và xích lại gần nhau hơn cho đến khi hình thành các liên kết hóa học giữa chúng. Để giải phóng chúng khỏi các phân tử mà chúng chứa trong đó có nghĩa là phá hủy các phân tử này: điều này thực hiện quá trình đốt nóng các phân tử đến nhiệt độ phân hủy của chúng. Và việc đốt nóng tương tự sẽ kết hợp các nguyên tử của nhiên liệu và chất oxy hóa lại với nhau để hình thành liên kết hóa học giữa chúng - dẫn đến một phản ứng hóa học.

Trong quá trình đốt cháy bình thường - được gọi là quá trình khử cháy - các chất phản ứng được làm nóng bằng cách truyền nhiệt bình thường từ phía trước ngọn lửa. Ngọn lửa làm nóng các lớp của chất cháy, và dưới ảnh hưởng của sự đốt nóng này, các chất sẽ bị phân hủy trước khi bắt đầu các phản ứng cháy hóa học. Cơ chế kích nổ là khác nhau. Trong đó, chất này bị đốt nóng trước khi bắt đầu phản ứng hóa học do bị nén cơ học ở mức độ cao - như bạn đã biết, dưới lực nén mạnh, một chất sẽ nóng lên.

Nén như vậy tạo ra một sóng xung kích truyền qua mảnh nổ của chất nổ (hoặc đơn giản là thể tích, nếu hỗn hợp chất lỏng, khí hoặc hệ thống nhiều pha phát nổ: ví dụ, huyền phù của than trong không khí). Sóng xung kích nén và làm nóng chất, gây ra các phản ứng hóa học trong nó với việc giải phóng một lượng lớn nhiệt và chính nó được cung cấp năng lượng phản ứng này được giải phóng trực tiếp vào nó.

Và ở đây tốc độ kích nổ rất quan trọng - tức là tốc độ của sóng xung kích truyền qua chất. Càng lớn, sức nổ càng mạnh, hành động nổ càng mạnh. Đối với vật liệu nổ công nghiệp và quân sự, tốc độ phát nổ là vài km / giây - từ khoảng 5 km / giây đối với đạn xuyên giáp và 6-7 km / giây đối với TNT đến 8 km / giây đối với RDX và 9 km / giây đối với HMX. Kích nổ càng nhanh, mật độ năng lượng trong sóng xung kích càng cao, tác dụng phá hủy của nó càng mạnh khi nó rời khỏi ranh giới của mảnh chất nổ.

Nếu sóng xung kích vượt quá tốc độ âm thanh trong vật liệu, nó sẽ nghiền nát nó thành nhiều mảnh - đây được gọi là hành động nổ. Đó là việc phá vỡ thân lựu đạn, đạn và bom thành nhiều mảnh, nghiền đá xung quanh lỗ khoan hoặc lỗ khoan chứa đầy thuốc nổ.

Với khoảng cách từ một mảnh thuốc nổ, sức mạnh và tốc độ của sóng xung kích giảm đi, và từ một khoảng cách ngắn nhất định, nó không còn có thể nghiền nát chất xung quanh nữa, nhưng có thể tác động lên nó bằng áp lực, đẩy, vò nát, phân tán, ném, phi. Hành động ép, nghiền và ném như vậy được gọi là hành động nổ cao.

Tính năng kích nổ của nitrat

Amoni nitrat công nghiệp không có bất kỳ chất phụ gia nào tạo thành chất nổ, như chúng tôi đã lưu ý ở trên, cũng có thể phát nổ. Tốc độ phát nổ của nó, trái ngược với vật liệu nổ công nghiệp, tương đối thấp: khoảng 1,5-2,5 km / giây. Tốc độ lan truyền của vụ nổ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Saltpeter ở dạng hạt nào, chúng được nén chặt như thế nào, độ ẩm hiện tại của Saltpeter và nhiều loại khác.

Do đó, Saltpeter không tạo ra một hành động nổ - nó không nghiền nát các vật liệu xung quanh. Nhưng hiệu ứng nổ cao của việc kích nổ nitrat tạo ra khá hữu hình. Và sức mạnh của một vụ nổ cụ thể phụ thuộc vào số lượng của nó. Với khối lượng nổ lớn, hiệu ứng nổ cao của vụ nổ có thể đạt đến sức công phá ở mọi cấp độ.

Hậu quả của vụ nổ ở Beirut / © "Lenta.ru"

Nói về kích nổ, chúng tôi lưu ý một điểm quan trọng hơn - nó bắt đầu như thế nào. Thật vậy, để một làn sóng nén xung kích đi qua chất nổ, nó phải được phóng ra bằng cách nào đó, được tạo ra bằng một thứ gì đó. Chỉ đơn giản đốt cháy một mảnh thuốc nổ không cung cấp lực nén cơ học cần thiết để bắt đầu kích nổ.

Vì vậy, đối với những mẩu thuốc nổ nhỏ TNT, đốt bằng que diêm, bạn hoàn toàn có thể đun được trà trong cốc - chúng cháy có mùi khét đặc trưng, đôi khi có khói, nhưng cháy nhẹ và không có tiếng nổ. (Mô tả không phải là khuyến nghị để pha trà! Vẫn nguy hiểm nếu các mảnh lớn hoặc bị nhiễm bẩn.) Để kích hoạt kích nổ, bạn cần một kíp nổ - một thiết bị nhỏ với chất nổ đặc biệt được lắp vào phần thân chính của thuốc nổ. Sự bùng nổ của một kíp nổ, cắm chặt vào điện tích chính, tạo ra một làn sóng xung kích và kích nổ trong đó.

Điều gì có thể gây ra vụ nổ

Kích nổ có thể xảy ra một cách tự phát không? Có thể: sự đốt cháy thông thường có khả năng chuyển thành sự phát nổ khi nó được tăng tốc, với sự gia tăng cường độ của sự đốt cháy này. Nếu bạn đốt cháy hỗn hợp oxy với hydro - một loại khí dễ nổ - nó sẽ bắt đầu cháy lặng lẽ, nhưng khi ngọn lửa phía trước tăng tốc, quá trình đốt cháy sẽ chuyển thành kích nổ.

Quá trình đốt cháy các hệ thống khí nhiều pha, chẳng hạn như tất cả các loại huyền phù và bình xịt, được sử dụng trong đạn dược cho một vụ nổ thể tích, nhanh chóng chuyển thành kích nổ. Quá trình đốt cháy thuốc phóng cũng có thể chuyển thành hiện tượng kích nổ nếu áp suất trong động cơ bắt đầu tăng nhanh, theo cách khác với thiết kế. Sự gia tăng áp suất, tăng tốc quá trình đốt cháy - đây là những điều kiện tiên quyết để chuyển từ đốt cháy thông thường sang kích nổ.

Ngoài ra, chất xúc tác đốt cháy có thể là các chất phụ gia, chất gây ô nhiễm, tạp chất khác nhau - chính xác hơn là chúng hoặc các thành phần của chúng, sẽ góp phần vào quá trình chuyển đổi cục bộ sang quá trình kích nổ. Đạn bị ôxy hóa, gỉ sét sẽ dễ phát nổ hơn nếu chất nổ tiếp giáp với phần bị ôxy hóa của thân tàu. Có rất nhiều sắc thái và điểm trong việc bắt đầu kích nổ mà chúng ta sẽ bỏ qua, vì vậy hãy quay trở lại câu hỏi: làm thế nào mà Saltpeter có thể kích nổ trong nhà kho?

Và ở đây rõ ràng pháo hoa hoàn toàn có thể đóng vai trò của một ngòi nổ. Không, chỉ cần một cái vợt bột rít lên hầu như không gây ra vụ nổ súng bắn muối với lực khói của nó kèm theo tia lửa. Nhưng đoạn video ghi lại nhiều đợt bùng phát lớn lấp lánh trong khói lửa trước khi xảy ra vụ nổ Saltpeter. Đây là những vụ nổ nhỏ của một loạt các thành phần pháo hoa bắn pháo hoa. Chúng đóng vai trò như một khởi đầu gây nổ rõ ràng. Không, chúng không phải là kíp nổ công nghiệp.

Nhưng trong điều kiện có lửa, đốt nóng các bề mặt lớn của Saltpeter bằng ngọn lửa và hàng ngàn hoạt động bắn pháo hoa diễn ra, những tên lửa pháo hoa này có thể được đưa vào bề mặt đã được nung nóng của Saltpeter với các vụ nổ tiếp theo trong Saltpeter nóng. Tại một thời điểm nào đó, sự phát nổ của nó dưới một tác động như vậy đã xảy ra - và lan ra toàn bộ dãy diêm tiêu được lưu trữ.

Rất khó để phân tích các sự kiện tiếp theo một cách chi tiết nếu không có thông tin chi tiết và nghiên cứu về địa điểm vụ nổ. Người ta không biết tất cả 2750 tấn đã được kích nổ hoàn toàn như thế nào. Sự phát nổ không phải là một sự khởi đầu tuyệt đối nào đó mà luôn xảy ra như nó được viết trên giấy. Điều xảy ra là các viên TNT xếp chồng lên nhau không phải tất cả đều phát nổ: một số trong số chúng chỉ đơn giản phân tán sang hai bên, nếu các biện pháp đáng tin cậy không được thực hiện để chuyển kích nổ giữa chúng.

Sau những vụ nổ lớn của đá, khi hàng trăm, hàng nghìn giếng chứa đầy thuốc nổ được nổ tung (chúng có thể được trang bị chất nổ trong cả tháng), sau khi một đám bụi lắng xuống, chỉ có các chuyên gia đầu tiên luôn vào khu vực nổ và kiểm tra xem cái gì đã nổ. và những gì đã không phát nổ. Họ cũng thu thập các chất nổ chưa phát nổ. Đối với diêm dân trong một nhà kho ở cảng Beirut cũng vậy: rất khó xác định mức độ hoàn thành của vụ nổ toàn bộ khối lượng nitrat, nhưng rõ ràng là nó khá lớn.

Đặc điểm của vụ nổ ở Beirut

Hình ảnh rất rõ ràng về vụ nổ tương ứng với sự phát nổ của nitrat. Một cột khói lớn màu nâu đỏ sau vụ nổ là màu đặc trưng của đám mây với các oxit nitơ màu đỏ, được giải phóng một lượng lớn trong quá trình phân hủy nitrat trong vụ nổ. Do tốc độ nổ của nitrat thấp, không có hành động nghiền lớn nào xảy ra.

Do đó, một miệng núi lửa lớn đã không hình thành tại nơi xảy ra vụ nổ: vật liệu của cầu tàu và lớp phủ bê tông của nhà kho không được chi tiết hóa, do đó chúng không bị vứt bỏ. Do đó, không có cuộc bắn phá thành phố với các mảnh bay từ khu vực xảy ra vụ nổ, và quốc vương cao của các mảnh bay và mảnh vỡ do vụ nổ tạo thành không nhô lên khỏi nơi xảy ra vụ nổ.

Một cột khói, có màu do thải các oxit nitơ trong quá trình phân hủy amoni nitrat / © dnpr.com.ua.

Đồng thời, sự giải phóng nhiều sản phẩm cháy ở thể khí - hơi nước, các oxit nitơ - đã tạo cho bức tranh về vụ nổ những đặc điểm của vụ nổ thể tích. Ngoài một làn sóng xung kích đi qua nhanh chóng, đủ mạnh và có thể nhìn thấy như một bức tường sương mù nhanh, cảnh quay cho thấy một bức tường đang tiếp cận gồm các khí nổ đang giãn nở, trộn với bụi và cuồn cuộn từ bề mặt trái đất theo một cách tiếp cận nhanh chóng. Điều này đặc trưng cho các vụ nổ có khối lượng lớn với vận tốc nổ thấp.

Bản chất của thiệt hại đối với các tòa nhà với xác suất cao sẽ cho thấy rằng chúng bị ảnh hưởng không chỉ bởi bản thân sóng xung kích - mạnh mẽ nhưng trong thời gian ngắn - mà còn do tiếp xúc lâu hơn với dòng khí-không khí đang mở rộng rải rác từ khu vực vụ nổ.

Vụ nổ nitrat ở Beirut

Vụ nổ phân bón dựa trên muối axit nitric đã xảy ra trước đây, họ đã biết rõ, có rất nhiều trường hợp như vậy trong lịch sử. Vì vậy, vào ngày 1 tháng 9 năm 2001, tại Toulouse, tại nhà máy phân bón của công ty Grande Paroisse, một nhà chứa máy bay đã phát nổ, trong đó 300 tấn amoni nitrat đã được phát nổ. Khoảng 30 người chết, hàng nghìn người bị thương. Nhiều tòa nhà ở Toulouse bị hư hại.

Trước đó, vào ngày 16/4/1947, đã xảy ra một vụ nổ 2.100 tấn amoni nitrat trên con tàu "Grancan" ở cảng thành phố Texas, Mỹ. Trước đó là một vụ cháy trên tàu - một tình huống và chuỗi sự kiện tương tự. Vụ nổ đã gây ra cháy nổ trên tàu và các cơ sở chứa dầu gần đó. Khoảng 600 người thiệt mạng, hàng trăm người mất tích, hơn 5.000 người bị thương.

Vào ngày 21 tháng 9 năm 1921, 12 nghìn tấn hỗn hợp amoni sulfat và amoni nitrat đã phát nổ tại nhà máy hóa chất BASF gần thị trấn Oppau ở Bavaria. Một sự bùng nổ sức mạnh như vậy tạo thành một miệng núi lửa khổng lồ, hai ngôi làng gần nhất bị xóa sổ khỏi mặt đất, và thành phố Oppau bị phá hủy.

Vụ nổ thảm khốc amoni nitrat với sức tàn phá lớn và hàng loạt nạn nhân xảy ra vào năm 2004 tại thành phố Ryongcheon của Triều Tiên; vào năm 2013 tại thành phố West ở Texas, Hoa Kỳ; vào năm 2015 tại thành phố cảng Thiên Tân của Trung Quốc. Và danh sách được tiếp tục.

Thật không may, amoni nitrat, với tất cả những lợi ích to lớn mà nó mang lại cho con người, vẫn là một đối tượng nguy hiểm đòi hỏi phải tuân thủ một số yêu cầu an toàn trong việc xử lý. Và sự bất cẩn hoặc sơ suất có thể gây ra những thảm kịch mới, việc ngăn chặn nó đòi hỏi cả việc cứng rắn các quy tắc xử lý nitrat và tăng cường trách nhiệm đối với việc tuân thủ và thực hiện chúng.