La chute accidentelle d’un explosif peut-elle conduire à sa détonation ?

Les recherches menées au CEA - DAM sur les explosifs incluent l’étude de situations accidentelles, afin de minimiser tout risque de détonation intempestive. On sait depuis longtemps qu’un impact à faible vitesse peut avoir des conséquences bien plus importantes qu’un impact à vitesse supérieure. Une équipe conduite par le CEA - DAM a récemment trouvé une explication à ce paradoxe apparent [1].

On sait qu’un impact violent conduit à la détonation d’un explosif, mais qu’en est-il d’un impact à vitesse faible ou modérée ? Nous avons récemment mis en lumière le phénomène qui semble expliquer pourquoi un faible impact peut déclencher la détonation, contrairement à un impact modéré. Ce paradoxe était connu expérimentalement depuis une soixantaine d’années, mais personne jusqu’ici ne pouvait l’expliquer. Ces impacts peuvent résulter d’une chute au sol ou de la chute d’un objet sur l’explosif.

Un explosif est stocké dans une enceinte de protection. Si celle-ci reçoit un impact, la contrainte mécanique transmise à l’explosif peut conduire à un cisaillement du matériau. Or, un matériau explosif n’est pas un milieu homogène : il est constitué de grains. Par conséquent, un échauffement local par frottement aux joints de grains se produit et l’explosif commence à brûler. La combustion peut tout à fait rester lente ; cependant, si elle s’accélère, alors une réaction violente survient, menant à la détonation.

Classiquement, de nombreux essais réalisés sur champ de tir sont nécessaires pour établir les corrélations entre conditions d’impact et violence de la réaction, sans toutefois réussir à les prévoir. En faisant l’hypothèse que la vivacité de la combustion de l’explosif dépend fortement de l’état d’endommagement de l’explosif, nous avons étudié l’évolution simultanée de la microstructure du matériau et de sa combustion en fonction de la pression générée par l’impact. Par analogie, le feu d’une bûche est bien plus vif si elle est réduite en de nombreuses brindilles, car la surface de combustion plus importante augmente la vivacité de la combustion.

La composition explosive étudiée est constituée d’une grande quantité de grains d’explosif, d’un liant polymère et d’une porosité résiduelle. La figure 1 montre que la microstructure initiale du matériau est comparable à celle d’un béton : de gros grains de taille supérieure à 100 μm à l’intérieur d’une matrice constituée de grains plus petits, du liant (difficilement observable sur les images) et de la porosité. Ce matériau n’est initialement pas vierge de tout défaut. En effet, des fissures sont visibles dans les gros grains (traits sombres indiqués par la flèche violette), tout comme des décohésions entre les grains et la matrice (flèche rouge). Des réseaux de bandes de plasticité parallèles (flèche noire) apparaissent aussi, provenant de la déformation des grains lors de la fabrication de l’explosif.

Pour mener à bien cette étude, notre idée a consisté dans un premier temps à placer un échantillon d’explosif dans une presse pour reproduire la pression exercée sur le matériau lors d’un impact faible ou modéré. Comme la pression appliquée pa pour reproduire un impact modéré peut atteindre plusieurs milliers de bars, nous avons utilisé une presse unique en Europe, située au centre de Gramat ; dans cet essai, la pression atteinte est égale à celle générée lors de l’impact ; cependant, la presse permet de l’appliquer très lentement et donc de ne pas faire exploser l’échantillon.

Dans un deuxième temps, nous avons découpé en deux l’échantillon sous test : une moitié sert à l’étude de la microstructure et l’autre est brûlée. L’observation au microscope optique montre que le nombre de décohésions est plus important dans les échantillons ayant subi une pression pa inférieure à 500 bars que dans le matériau initial ; en effet, à faible pression, la matrice confinée se déforme quand les gros grains sont peu sollicités. Au contraire, le nombre de décohésions est plus faible pour les échantillons ayant subi une pression pa plus élevée (jusqu’à 8 000 bars) ; en effet, dans ce cas, les gros grains et la matrice se déforment ensemble.

Dans une enceinte fermée, une gélule de poudre noire permet de chauffer la seconde moitié de l’échantillon d’explosif sous test et de démarrer ainsi la combustion. Les gaz issus de la combustion ne pouvant s’échapper, la pression monte rapidement dans l’enceinte. Un capteur mesure cette augmentation de pression et permet de tracer l’évolution de la vitesse de pressurisation Ṗ en fonction de la pression P. La pression critique Pc caractérise le passage d’une combustion lente à une réaction violente et correspond à la pression où nous observons un changement de pente sur la figure 2. Notre étude montre que la pression critique Pc de combustion est intimement reliée à la pression appliquée Pa. En effet, pour les pressions appliquées inférieures à 500 bars, la pression critique est plus faible que celle du matériau initial. Inversement, elle augmente si la pression appliquée croît au-delà de 500 bars. Pour les plus fortes pressions appliquées à l’échantillon, aucune pression critique n’est observée : la combustion reste lente et aucune détonation ne peut avoir lieu (échantillon soumis à 8 000 bars sur la figure 2).

L’analyse simultanée de la microstructure et des combustions a permis de comprendre comment un impact accidentel change le nombre des défauts au sein de la microstructure et comment la nature des défauts influence la pression critique de combustion de l’explosif. Nous avons ainsi compris que les décohésions entre les gros grains et la matrice, apparues lors de l’impact à faible vitesse, favorisent l’abaissement de la pression critique, car elles augmentent la surface accessible aux gaz chauds. L’accroissement de cette surface chauffée accélère exponentiellement la quantité de gaz produite et donc la pression dans l’enceinte. On passe ainsi rapidement d’une combustion lente à une réaction violente.

Les travaux se poursuivent en collaboration avec l’Insa Centre-Val de Loire pour modéliser l’apparition de ces décohésions et pour prévoir la violence de la réaction lors d’un faible impact sur un explosif.