Смертельно опасная и жизненно необходимая: такая разная селитра
Аммиачная селитра, взрыв которой унес столько жизней в Ливане, — широко распространенное удобрение и при этом запрещенное взрывчатое вещество. Мы разобрались, как такое возможно и почему в целом безопасный нитрат аммония служит причиной стольких трагедий.
Вечером 4 августа 2020 года в порту Бейрута прогремел мощный взрыв. Удар повредил здания в радиусе нескольких километров, а поднятый в воздух гриб был виден на расстоянии десятков километров. По имеющимся данным, погибло около сотни человек, и более 4000 получили ранения, столица Ливана объявлена зоной бедствия.
Согласно официальной версии, взрыв вызвала детонация задержанного несколько лет назад нитрата аммония, около 2700 тонн которого хранилось без соблюдения должных мер безопасности. Если это действительно так, то жители Бейрута стали далеко не первыми, кто пострадал от этого весьма полезного, — но и весьма коварного вещества. Недаром нитрат аммония (аммиачная селитра) производится в количестве более 20 млн тонн каждый год, — и тем не менее, кое-где он запрещен вовсе.
Кое-что о пользе
Мировым лидером в производстве аммиачной селитры остается Россия, а главной областью ее применения — удобрение. Вспомним, что все огромные объемы азота, которые содержатся в атмосфере, недоступны для большинства живых организмов. Использовать его способны лишь определенные виды бактерий, превращающие молекулярный азот в аммиак или в нитраты, включающие его в состав собственных белков и нуклеиновых кислот.
Абсолютно безобидное, на первый взгляд, вещество
Азот, жизненно необходимый и животным, и растениям, мы получаем только через этих микробов. А его нехватка служит важным фактором, ограничивающим урожайность растений, поэтому азот часто вносится в почву в составе удобрений. Одно из самых распространенных таких веществ — аммиачная селитра, исключительно богатая усваиваемым азотом, поскольку представляет собой соединение и нитрата, и аммиака.
Сам по себе чистый нитрат аммония не взрывоопасен, а в составе удобрений его часто смешивают еще и с другими «присадками», такими как мел, которые снижают такие риски вплоть до ничтожных. Однако при добавлении некоторых других веществ, способных запустить детонацию, все меняется. Смесь аммиачной селитры с дизтопливом, с гидразином или с алюминиевым порошком (аммонал) широко применяется в качестве промышленных взрывчатых веществ. Находят такие комбинации и боевики террористических организаций, в том числе и запрещенных на территории РФ.
Именно аммиачная селитра использовалась Тимоти Маквеем, который устроил взрыв в Оклахома-Сити в 1995 году, и Андерсом Брейвиком в Осло в 2011-м. По той же причине в некоторых провинциях Пакистана власти запретили применение даже удобрений на основе аммиачной селитры — что, впрочем, лишь заставило преступников переключиться на другие доступные источники взрывчатки.
Источники угрозы
Итак, сам по себе чистый нитрат аммония не взрывоопасен, тем более — при соблюдении должных мер предосторожности. При нагревании выше 210 °C он спокойно распадается с образованием газообразных продуктов, и даже при воспламенении на открытом воздухе просто сгорает. Тем не менее, нитрат аммония стал причиной десятков масштабных промышленных катастроф в разных странах мира. Крупнейшей из них остается взрыв грузового судна Гранкан, стоявшего с 2100 тоннами селитры в Тексас-Сити в 1947 году — он унес жизни более 580 человек.
Сравнимых масштабов трагедии происходили и в Германии, на химическом заводе BASF в 1921 году, и в китайском Тяньцзине в 2015-м, где загорелись, а затем рванули склады с селитрой и нитроцеллюлозой. Эти громкие во всех смыслах примеры — далеко не единственные за последнюю сотню лет, однако они иллюстрируют ключевые факторы, благодаря которым селитра становится по‑настоящему опасной. Это превращение требует мощного стимула, вроде инициирующего подрыва, который привел к катастрофе на заводе удобрений BASF в германском Оппау.
Имевшиеся здесь запасы аммиачной селитры складировались под открытым воздухом, в глубоком карьере, вперемежку с сульфатом аммония, который благодаря гигроскопичности набирал воду. Чтобы разбить слежавшуюся массу на куски, рабочие использовали пороховые запалы — и хотя долгое время все обходилось без происшествий, в конце концов селитра сдетонировала. А вот в Тексас-Сити детонация запустилась иным путем, под тепловым воздействием пожара, который разразился в ограниченных объемах грузового судна. Рабочий просто бросил окурок.
Этот элеватор рядом с эпицентром взрыва в порту Бейрута принял на себя немалую часть энергии ударной волны, но чудом устоял, защитив многие строения и корабли.
Такие условия стимулируют переход от обычного быстрого горения (дефлаграции) ко взрывному (детонации). Это продемонстрировал еще советский физик Кирилл Иванович Щелкин, бывший главный конструктор ядерного центра Челябинск-70 (Снежинск) и виднейший эксперт в области газодинамики горения. Он, в частности, исследовал влияние геометрии стенок наполненного горючим газом канала на распространение горения, и показал, что спиральные неровности на внутренней поверхности быстро превращают дефлаграцию в детонацию, — сегодня «спираль Щелкина» является почти обязательной деталью проектов перспективных детонационных двигателей.
Критический переход
Дефлаграция характеризуется быстрой, но все-таки дозвуковой скоростью распространения пламени. Фронт горения — та область, в которой и происходит реакция топлива с окислителем — не отличается сильным перепадом давления и распространяется за счет обычного переноса массы и энергии. В отличие от этого, детонационное горение движется быстрее звука, часто разгоняясь до 1000−2000 м/с. Оно растет словно раздувающийся пузырь, в тонкой стенке которого давление достигает десятков атмосфер. Здесь смесь топлива и окислителя сжимается и разогревается до таких величин, что между ними моментально запускается реакция, которая поддерживает дальнейшее распространение ударной волны повышенной плотности — и взрыва.
Превращение дефлаграции в детонацию — по‑английски оно называется DDT (Deflagration to Detonation Transition) — остается во многом загадкой, поскольку требует учета сложнейших турбулентных явлений, до сих пор плохо понятных и еще хуже обсчитываемых с помощью математических моделей. Тем не менее, как минимум со времен Щелкина известно, что геометрия пространства играет в этом большую роль, поскольку она способна направлять, усиливать или, наоборот — ослаблять потоки горящего вещества.
Тушение оставшихся очагов пожара в разрушенном порту Бейрута вечером 4 августа
И хотя точную причину произошедшего вчера сможет назвать лишь следствие, в целом картина трагедии выглядит понятной. Груз селитры, конфискованый властями Ливана с подозрительного судна, хранился без должных мер безопасности. Не подозревая об угрозе, работники склада начали мелкий ремонт здания и заваривали дыры. Как когда-то в Тексас-Сити непогашенная сигарета, так теперь и в Бейруте искра вызвала возгорание. Высокая температура, тесные складские помещения, а возможно и присутствие других горючих или взрывоопасных веществ, быстро превратили горение селитры в детонацию настоящей огненной бури.