Wetenschappelijke visie: kenmerken van de explosie in Beiroet

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Het tragische nieuws van een enorme explosie in Beiroet, die de eerste regels van nieuwsbronnen kostte, roept natuurlijke vragen op: hoe heeft dit kunnen gebeuren, wat is daar geëxplodeerd, door welke factoren zijn dergelijke incidenten mogelijk? Laten we, om erachter te komen, de eigenschappen van ammoniumnitraat en de daaraan verbonden gevaren eens nader bekijken.

Wat gebeurde er in Beiroet

In het kort ziet de situatie er als volgt uit: zes jaar geleden voer het schip Rhosus de zeehaven van Beiroet binnen voor een ongeplande reparatie. Het behoorde toe aan het bedrijf van Igor Grechushkin, een inwoner van Khabarovsk. De havenautoriteiten hebben het schip niet vrijgegeven vanwege tekortkomingen in beveiligingssystemen en vrachtdocumenten. Geleidelijk aan verliet het team Rhosus en de lading, die uit 2.750 ton ammoniumnitraat bestond, werd overgebracht naar een magazijn in de haven, waar het de volgende zes jaar werd opgeslagen. De opslagomstandigheden bleken onvoldoende betrouwbaar, daarom werden, om de toegang tot deze lading te beperken, laswerkzaamheden uitgevoerd in het magazijn, waarvan de pyrotechniek die in hetzelfde magazijn was opgeslagen, als gevolg van een onjuiste organisatie van de veiligheid, vervolgens werd ontstoken.

Er ontstond brand, ondersteund door verbranding en vuurwerk. Na enige tijd ontplofte het opgeslagen ammoniumnitraat. De schokgolf van deze explosie had een groot schadelijk effect op de omliggende gebieden van Beiroet: vandaag zijn er meer dan 130 mensen omgekomen, en hun aantal blijft groeien naarmate er meer en meer lichamen worden ontdekt tijdens het ontmantelen van het puin van gebouwen en constructies. Meer dan vijfduizend mensen raakten gewond.

Foto's vanuit de ruimte gemaakt door de Kanopus-V-satelliet. De foto hierboven dateert van 4 november 2019 en de foto hieronder is de dag na de explosie. / © Roskosmos.ru

Een groot aantal huizen werd in verschillende mate beschadigd, de vernietiging trof de helft van de gebouwen in Beiroet, ongeveer 300 duizend inwoners werden dakloos. Volgens de gouverneur van de Libanese hoofdstad Marwan Abboud wordt de schade door de explosie geschat op tussen de drie en vijf miljard dollar. Foto's vanuit de ruimte van de haven van Beiroet, genomen voor en na de tragedie, tonen een gebied van voortdurende vernietiging rond het hele havengebied. In Libanon zijn drie dagen van rouw afgekondigd.

Wat is ammoniumnitraat?

Ammoniumnitraat, of ammoniumnitraat, is een ammoniumzout van salpeterzuur, heeft de chemische formule NH₄NO₃ en bestaat uit drie chemische elementen: stikstof, waterstof en zuurstof. Het hoge stikstofgehalte (ongeveer een derde van het gewicht) in een vorm die gemakkelijk door planten kan worden opgenomen, maakt het mogelijk om ammoniumnitraat op grote schaal te gebruiken als een effectieve stikstofmeststof in de landbouw.

Als zodanig wordt ammoniumnitraat zowel in zuivere vorm als als onderdeel van andere complexe meststoffen gebruikt. Het grootste deel van de in de wereld geproduceerde salpeter wordt juist in deze hoedanigheid gebruikt. Fysiek is ammoniumnitraat een witte kristallijne stof, in industriële vorm in de vorm van korrels van verschillende groottes.

Het is hygroscopisch, dat wil zeggen, het absorbeert vocht goed uit de atmosfeer; tijdens opslag heeft de neiging tot aankoeken, de vorming van grote dichte massa's. Daarom wordt het niet in de vorm van een vaste bulkmassa opgeslagen en vervoerd, maar in dichte en duurzame zakken die de vorming van grote, moeilijk los te maken aangekoekte massa's niet toelaten.

Ontploffingsoperaties in dagbouwmijnen met ammoniumnitraat als onderdeel van industriële explosieven / ©Flickr.com.

Ammoniumnitraat is een sterk oxidatiemiddel. De drie zuurstofatomen waaruit het molecuul bestaat, vormen 60 procent van de massa. Met andere woorden, ammoniumnitraat is meer dan de helft van zuurstof, dat gemakkelijk vrijkomt uit zijn molecuul bij verhitting. Thermische ontleding van nitraat vindt plaats in twee hoofdvormen: bij temperaturen onder 200 graden ontleedt het in stikstofoxide en water, en bij temperaturen van ongeveer 350 graden en hoger worden gelijktijdig met water vrije stikstof en vrije zuurstof gevormd. Dit scheidt ammoniumnitraat in de categorie van sterke oxidatiemiddelen en bepaalde het gebruik ervan bij de productie van verschillende explosieven, waarvoor een oxidatiemiddel nodig is.

Ammoniumnitraat - een bestanddeel van industriële explosieven

Ammoniumnitraat zit in veel soorten industriële explosieven en wordt hierin veel gebruikt, met name in de mijnbouw. De mens heeft nog niets effectievers uitgevonden dan een explosie om rotsen te vernietigen. Daarom is bijna elk werk met hen gebaseerd op een explosie: van mijnbouw in mijnen tot open sneden en steengroeven.

De mijnindustrie verbruikt enorm veel explosieven en elke mijnbouwonderneming of kolenmijn heeft altijd zijn eigen fabriek voor de productie van explosieven, die in grote hoeveelheden worden verbruikt. De relatieve lage prijs van ammoniumnitraat maakt het mogelijk om het te gebruiken voor de massaproductie van verschillende industriële explosieven.

En hier kunnen we de verbazingwekkende omvang van de vorming van explosieve systemen door ammoniumnitraat opmerken. Door nitraat te mengen met letterlijk elke brandbare stof, kun je een explosief systeem krijgen. Mengsels van nitraat met gewoon aluminiumpoeder vormen ammonalen, die daarom AMMONIUMnitraat - ALUMINIUM worden genoemd. 80% van de massa van ammonal is ammoniumnitraat. Ammonals zijn zeer effectief, ze zijn goed in het opblazen van rotsen, bepaalde soorten worden rotsammonals genoemd.

Enorme explosie tijdens mijnbouwactiviteiten / © Flickr.com.

Als je nitraat doordrenkt met dieselbrandstof, krijg je een andere klasse industriële explosieven - igdanieten, genoemd naar het Institute of Mining, het Institute of Mining van de Academie van Wetenschappen van de USSR. Salpeter kan explosieve mengsels vormen wanneer geïmpregneerd met vrijwel elke ontvlambare vloeistof, van plantaardige olie tot stookolie. Andere klassen van op nitraat gebaseerde explosieven gebruiken additieven van verschillende explosieven: bijvoorbeeld ammonieten (dit zijn niet alleen fossiele koppotigen) bevatten TNT of RDX. In zuivere vorm is ammoniumnitraat ook explosief en kan het ontploffen. Maar de ontploffing ervan verschilt van de ontploffing van industriële of militaire explosieven. Wat precies? Laten we ons kort herinneren wat ontploffing is en hoe het verschilt van gewone verbranding.

Wat is ontploffing?

Om verbrandingsreacties in brandbare stoffen te laten beginnen, moeten de atomen van de brandstof en het oxidatiemiddel worden vrijgemaakt en dichter bij elkaar worden gebracht totdat er chemische bindingen tussen worden gevormd. Om ze vrij te maken van de moleculen waarin ze zich bevinden, betekent het vernietigen van deze moleculen: dit zorgt ervoor dat de moleculen worden verwarmd tot de temperatuur van hun ontbinding. En dezelfde verwarming brengt de atomen van de brandstof en de oxidator samen tot de vorming van een chemische binding daartussen - tot een chemische reactie.

Bij normale verbranding - deflagratie genoemd - worden de reactanten verwarmd door normale warmteoverdracht vanaf het vlamfront. De vlam verwarmt de lagen van de brandbare stof en onder invloed van deze verwarming ontleden de stoffen voordat chemische verbrandingsreacties beginnen. Het ontploffingsmechanisme is anders. Daarin wordt de stof verwarmd vóór het begin van chemische reacties als gevolg van mechanische compressie van hoge mate - zoals u weet, warmt een stof onder sterke compressie op.

Een dergelijke compressie geeft een schokgolf die door het detonerende explosief gaat (of simpelweg het volume, als een vloeistof, gasmengsel of meerfasensysteem tot ontploffing komt: bijvoorbeeld een suspensie van steenkool in lucht). De schokgolf comprimeert en verwarmt de stof, veroorzaakt chemische reacties daarin met het vrijkomen van een grote hoeveelheid warmte en wordt zelf gevoed door deze reactie-energie die er direct in vrijkomt.

En hier is de detonatiesnelheid erg belangrijk - dat wil zeggen, de snelheid van de schokgolf die door de substantie gaat. Hoe groter het is, hoe krachtiger het explosief, de explosieve actie. Voor industriële en militaire explosieven is de ontploffingssnelheid enkele kilometers per seconde - van ongeveer 5 km/sec voor ammonalen en ammonieten en 6-7 km/sec voor TNT tot 8 km/sec voor RDX en 9 km/sec voor HMX. Hoe sneller de ontploffing, hoe hoger de energiedichtheid in de schokgolf, hoe sterker het vernietigende effect wanneer het de grenzen van het explosief verlaat.

Als de schokgolf de geluidssnelheid in het materiaal overschrijdt, verplettert deze het in stukken - dit wordt straalactie genoemd. Het is het die het lichaam van een granaat, een projectiel en een bom in fragmenten breekt, rotsen verplettert rond een boorgat of boorgat gevuld met explosieven.

Met de afstand tot een explosief nemen de kracht en snelheid van de schokgolf af, en vanaf een bepaalde korte afstand kan hij de omringende substantie niet langer verpletteren, maar kan hij erop inwerken met zijn druk, duwen, verkreukelen, verspreiden, gooien, werpen. Een dergelijke drukkende, verpletterende en werpende actie wordt high-explosive genoemd.

Kenmerken van detonatie van nitraat

Industrieel ammoniumnitraat zonder toevoegingen die explosieven vormen, zoals we hierboven hebben opgemerkt, kan ook ontploffen. De ontploffingssnelheid is, in tegenstelling tot industriële explosieven, relatief laag: ongeveer 1,5-2,5 km/sec. De spreiding van de detonatiesnelheid hangt van veel factoren af: in de vorm van welke korrels de salpeter is, hoe strak ze zijn samengedrukt, wat is het huidige vochtgehalte van de salpeter en vele andere.

Daarom vormt salpeter geen explosieve actie - het verplettert geen omringende materialen. Maar het explosieve effect van de ontploffing van nitraat produceert behoorlijk tastbaar. En de kracht van een bepaalde ontploffing hangt af van de hoeveelheid. Met grote explosieve massa's kan het explosieve effect van de explosie destructiviteit van elk niveau bereiken.

Nasleep van de explosie in Beiroet / © "Lenta.ru"

Over ontploffing gesproken, we merken nog een belangrijk punt op: hoe het begint. Inderdaad, om een schokgolf van compressie door het explosief te laten gaan, moet het op de een of andere manier worden gelanceerd, met iets gecreëerd. Het simpelweg aansteken van een explosief levert niet de mechanische compressie die nodig is om detonatie te starten.

Dus, op kleine stukjes TNT, in brand gestoken met een lucifer, is het heel goed mogelijk om thee in een mok te koken - ze branden met een karakteristiek gesis, soms roken, maar branden stil en zonder een explosie. (De beschrijving is geen aanbeveling voor het maken van thee! Het is nog steeds gevaarlijk als de stukken groot of verontreinigd zijn.) Om de ontploffing te veroorzaken, heb je een ontsteker nodig - een klein apparaat met een speciale explosieve lading die in het hoofdgedeelte van explosieven wordt gestoken. De explosie van een ontsteker, stevig in de hoofdlading gestoken, veroorzaakt een schokgolf en ontploffing daarin.

Wat kan de ontploffing hebben veroorzaakt?

Kan ontploffing spontaan plaatsvinden? Misschien: gewone verbranding kan bij versnelling tot ontploffing leiden, met een toename van de intensiteit van deze verbranding. Als je een mengsel van zuurstof met waterstof ontsteekt - een explosief gas - zal het stil beginnen te branden, maar naarmate het vlamfront versnelt, zal de verbranding overgaan in detonatie.

Verbranding van meerfasige gassystemen, zoals allerlei suspensies en aerosolen, die worden gebruikt in munitie voor een volumetrische explosie, gaat al snel over in detonatie. Verbranding van drijfgas kan ook tot ontploffing leiden als de druk in de motor snel begint te stijgen, op een oneigenlijke manier. Een verhoging van de druk, versnelling van de verbranding - dit zijn de voorwaarden voor de overgang van gewone verbranding naar detonatie.

Verbrandingskatalysatoren kunnen ook verschillende additieven, verontreinigingen, onzuiverheden zijn - meer bepaald zij of hun componenten, die zullen bijdragen aan de lokale overgang naar detonatie. Geoxideerde, roestige munitie zal eerder ontploffen als het explosief zich naast het geoxideerde gedeelte van de romp bevindt. Er zijn veel nuances en punten in het initiëren van detonatie die we zullen weglaten, dus laten we terugkeren naar de vraag: hoe kan de salpeter in het magazijn tot ontploffing komen?

En hier is het duidelijk dat pyrotechniek perfect de rol van een ontsteker zou kunnen spelen. Nee, alleen een sissend kruitracket veroorzaakte nauwelijks de ontploffing van salpeter met zijn kracht van rook met vonken. Maar de video legt talloze massale uitbarstingen vast die glinsteren in de rook van het vuur vóór de salpeterexplosie. Dit zijn kleine explosies van een strooisel van pyrotechnische onderdelen van vuurwerk. Ze dienden als een voor de hand liggende ontploffingsstart. Nee, het waren geen industriële ontstekers.

Maar in omstandigheden van vuur, verhitting van grote oppervlakken van salpeter met een vlam en de massaliteit van duizenden pyrotechnische handelingen die plaatsvonden, werden deze pyrotechnische raketten waarschijnlijk in het verwarmde oppervlak van salpeter geïntroduceerd met verdere explosies in hete salpeter. Op een gegeven moment vond de ontploffing plaats onder zo'n impact - en verspreidde zich naar de hele reeks opgeslagen salpeter.

Het is moeilijk om verdere gebeurtenissen in detail te analyseren zonder gedetailleerde informatie en studie van de explosielocatie. Het is niet bekend hoe volledig alle 2750 ton tot ontploffing is gebracht. Ontploffing is niet een absoluut begin dat altijd gebeurt zoals het op papier staat. Het komt voor dat de op elkaar gestapelde TNT-briketten niet allemaal tot ontploffing komen: sommige verspreiden zich eenvoudig naar de zijkanten, als er geen betrouwbare maatregelen worden genomen om de ontploffing tussen hen over te brengen.

Na massale explosies van rotsen, wanneer honderden en duizenden putten gevuld met explosieven worden opgeblazen (ze kunnen een hele maand met explosieven worden uitgerust), nadat een stofwolk is neergedaald, betreden alleen specialisten altijd eerst de explosiezone en inspecteren ze wat er is ontploft en wat niet ontplofte. Ze verzamelen ook niet-ontplofte explosieven. Zo is het met salpeter in een pakhuis in de haven van Beiroet: de volledigheid van de detonatie van de explosie van de hele massa nitraat is moeilijk te bepalen, maar het is duidelijk dat het behoorlijk groot was.

Kenmerken van de explosie in Beiroet

Het beeld van de explosie komt goed overeen met de ontploffing van nitraat. Een grote kolom roodbruine rook na de explosie is een typische kleur van de wolk met rode stikstofoxiden, die in grote hoeveelheden vrijkomen bij de afbraak van nitraat in de explosie. Door de lage detonatiesnelheid van nitraat vond er geen massale verpletterende werking plaats.

Daarom vormde zich geen grote krater op de plaats van de explosie: de materialen van de pieren en de betonnen bodembedekking van de magazijnen waren niet gedetailleerd, daarom werden ze niet weggegooid. Hierdoor was er geen bombardement op de stad met stukken die uit het gebied van de explosie vlogen, en de hoge sultan van vliegende stukken en fragmenten gevormd door de explosie kwam niet boven de plaats van de explosie uit.

Een rookkolom, gekleurd door de uitstoot van stikstofoxiden tijdens de afbraak van ammoniumnitraat / © dnpr.com.ua.

Tegelijkertijd gaf de overvloedige afgifte van gasvormige verbrandingsproducten - waterdamp, stikstofoxiden - het beeld van de explosie de kenmerken van een volumetrische explosie. Naast een snel passerende schokgolf, krachtig genoeg en zichtbaar als een snelle mistige muur, toont de opname een naderende muur van uitzettende explosiegassen, vermengd met stof en bij een snelle nadering van het aardoppervlak opwellend. Dit is typerend voor explosies van grote volumes met een lage detonatiesnelheid.

De aard van de schade aan gebouwen met een hoge waarschijnlijkheid zal aantonen dat ze niet alleen werden getroffen door de schokgolf zelf - krachtig, maar van korte duur - maar ook door een langere blootstelling aan de zich uitbreidende gas-luchtstroom die uit het explosiegebied wordt verspreid.

Nitraatexplosies naar Beiroet

Explosies van meststoffen op basis van salpeterzuurzouten zijn eerder voorgekomen, ze zijn bekend, er zijn veel van dergelijke gevallen in de geschiedenis. Zo ontplofte op 1 september 2001 in Toulouse, in de kunstmestfabriek van het bedrijf Grande Paroisse, een hangar, waarin 300 ton ammoniumnitraat tot ontploffing kwam. Ongeveer 30 mensen stierven, duizenden raakten gewond. Veel gebouwen in Toulouse werden beschadigd.

Eerder, op 16 april 1947, was er een explosie van 2.100 ton ammoniumnitraat aan boord van het schip "Grancan" in de haven van Texas City, VS. Het werd voorafgegaan door een brand op het schip - een vergelijkbare situatie en opeenvolging van gebeurtenissen. De explosie veroorzaakte branden en explosies op schepen en olieopslagfaciliteiten in de buurt. Ongeveer 600 mensen werden gedood, honderden werden vermist, meer dan vijfduizend raakten gewond.

Op 21 september 1921 ontplofte 12.000 ton van een mengsel van ammoniumsulfaat en ammoniumnitraat in de chemische fabriek van BASF nabij de stad Oppau in Beieren. Een explosie van zo'n kracht vormde een enorme krater, twee dichtstbijzijnde dorpen werden van de aardbodem weggevaagd en de stad Oppau werd vernietigd.

In de Noord-Koreaanse stad Ryongcheon vonden in 2004 catastrofale explosies van ammoniumnitraat plaats met grote verwoestingen en talrijke slachtoffers; in 2013 in de stad West in Texas, VS; in 2015 in de havenstad Tianjin in China. En de lijst gaat maar door.

Helaas blijft ammoniumnitraat, met alle enorme voordelen die het een persoon met zich meebrengt, een gevaarlijk object dat bij de behandeling aan een aantal veiligheidseisen moet voldoen. En onvoorzichtigheid of nalatigheid kan nieuwe tragedies veroorzaken, waarvan de preventie vereist dat zowel de regels voor de omgang met nitraat worden aangescherpt als de verantwoordelijkheid voor de naleving en uitvoering ervan wordt vergroot.