TNO-PML: Kruitbewaking
Kruitbewaking
Inleiding
Kruitbewaking is een van de activiteiten waarmee TNO-PML wereldwijd een grote naam en faam heeft verworven. Het op genitreerde cellulose gebaseerde kruit is in principe instabiel en kan bij langdurige opslag bij verhoogde temperatuur spontaan ontbranden, wat tot grote explosies kan leiden (zoals bv. de grote explosie in Lapua Finland in 1976, in White Oak Washington in 1992, in Brazilië in 1995; naast veel doden en gewonden was er 1 miljard schade). Door een stabilisator toe te voegen wordt dit ontledingsproces (door veroudering) afgeremd. Echter er dient wel continu tijdens de levensduur van kruit gemonitord te worden dat het nog voldoende stabiel is een volgende bewaarperiode. Dit geschiedt via de methode van de kruitbewaking en dit is dan ook een belangrijke activiteit om verlies aan mensenlevens en materiële schade te voorkomen.
Historie
Sinds eind 1800 wordt de stabiliteit van kruit in Nederland gecontroleerd. In het begin door de Artillerie Inrichtingen op het Hemveld bij Zaandam.
Op 1 januari 1949 wordt de naam van het T.N.O.-Laboratorium Poortlandlaan veranderd in Technologisch Laboratorium van de RVO-TNO met ir. der Weduwen aan het hoofd. Reeds bij de oprichting van het Technologisch Laboratorium was het kruitonderzoek de belangrijkste kern van het onderzoek. Tijdens de herbewapening van de Krijgsmacht na WO II is hier vele jaren lang zeer veel onderzoek aan gedaan. Alle kruiten die Nederland binnenkomen worden onderzocht omdat kruit inherent instabiel is en daardoor grote explosies kan veroorzaken. Dit beteft honderden kruiten uit het buitenland, waaronder de kruiten welke onder de Marshall-hulp zijn verkregen voor de 155 mm houwitzers.
Na de soeveriniteitsoverdracht van Indonesië op 27 december 1949 werd toegezien dat de in Indonesië bij tropische temperaturen opgeslagen kruiten van het Nederlandse leger onderzocht werden om te zien of het kruit nog bruikbaar was in Nederland.
In de eerste helft van de jaren zeventig wordt het onderzoek door de drie krijgsmachtdelen gezamenlijk aangestuurd. Dit resulteert begin jaren negentig in een effectieve en goed gesystematiseerde wijze van kruitbewaking met behulp van de warmteontwikkelingsproef in een microcalorimeter (HFC-Heat Flow Calorimeter) die goed aansluit bij de Defensiebehoefte en die ook Internationaal gestandaardiseerd en erkend is (NATO STANAG 4582). Een dergelijk ontwikkelingstraject neemt zeer veel jaren in beslag. Dat deze kruitbewakingsmethode deugt mag blijken uit het feit dat in Nederland in de tijd dat TNO deze bewaking uitvoert er nooit explosies zijn opgetreden in munitie opslagcomplexen.
Technologieontwikkeling kruitbewaking
In de jaren vijftig en zestig wordt voor het kruitonderzoek voornamelijk gebruik gemaakt van bewerkelijke (nat)chemische methodes (Abel Heat Test, Bergman JunkTest, etc.), waarbij de effectiviteit van de stabilisator en de mogelijke ontleding bij verhoogde temperaturen worden bepaald. In de tweede helft van de jaren zestig is er dan voor het eerst een “functioneringsproef” te weten de Closed Vessel test, waarbij de drukopbouw bij verbranding van het kruit wordt gemeten in een statische opstelling. Uiteindelijk resulteert dit in een totaal kruitonderzoek, waarbij in een ‘propellant description sheet’ alle relevante kruitgegevens worden vastgelegd, zoals uiterlijk voorkomen, samenstelling (met stikstofgehalte van het schietkatoen), resultaten verwarmings proeven (stabiliteitsproeven), verbrandingswaarde, soortelijk gewicht, verbrandingssnelheid. Deze gegevens samen met de gegevens van de ‘closed vessel’ test zijn van belang om inwendige ballistiek van kanonsystemen te berekenen en daarmee de mondingssnelheid van een granaat. In de jaren zeventig is er ontwikkeling van veel efficiëntere chemische methodes, zoals hogedruk vloeistofchromatografie (HPLC) voor bv. de bepaling van het stabilisatorgehalte. Echter hiermee kan men alleen een kruit goedkeuren of afkeuren.
Warmteontwikkelingsproef (WOP; later ‘heat flow calorimeter’)
Hoe instabieler het kruit, hoe meer warmte er vrijkomt. Op een gegeven moment kan het kruit zichzelf opwarmen en komt het tot ontbranding. Bij opslag betekent dit dat een brandende korrel andere kruitkorrels ontsteekt wat tot een kettingreactie kan leiden die een explosie veroorzaakt. Bij normale omgevingstemperatuur is echter de hoeveelheid warmte die vrijkomt zeer gering en dient men gedurende langere tijd (dagen tot weken bij verschillende temperaturen) te meten. Dr.ir. J.L.C. van Geel van TNO heeft deze fysische methode, de warmteontwikkelingsproef (WOP), geïntroduceerd gebaseerd op een zeer gevoelige meting van warmteontwikkeling (beter dan 10 microwatt per gram) met warmtestroommeters ontwikkeld door de TPD-TNO-TU waarmee betere voorspellingen over de levensduur mogelijk worden.
Het blijkt mogelijk om een verband te vinden (veilige diameter) tussen samenstelling/geometrie van de kruitkorrel en de hoeveelheid vrijgekomen warmte in de tijd. Aangetoond kan worden dat de kruitkorrel zichzelf gaat opwarmen indien deze veilige diameter wordt overschreden.
Ook kan met behulp van de Arrhenius-vergelijking een versnelde veroudering bij hoge temperatuur worden vertaald naar een levensduur onder opslagcondities. Op deze wijze kan een voorspelling worden gegeven over de levensduur waarbij het kruit nog veilig blijft op te slaan.
Om uiteindelijk de grote hoeveelheden kruit die regelmatig moet worden doorgemeten te onderzoeken is ook een multi-WOP ontwikkeld, waarbij tijdens de duur van het experiment maximaal acht kruitmonsters tegelijk worden doorgemeten in één apparaat. Dit betekent dat men een zeer krachtig instrument heeft, want niet elk jaar hoeft de kruitvoorraad te worden gecontroleerd, maar pas bij het aflopen van de voorspelde levensduur.
Voor Defensie ontwikkelt TNO vervolgens een methode om de totale kruitvoorraad – met een ouderdom tot circa honderd jaar – regelmatig door te meten op zelfontbrandingsgevaar. Bij deze methode wordt naar de actuele stabiliteit gekeken, alsmede naar een voorspelling van het stabiliteitsverloop voor de aansluitende acht jaar. De methode wordt daarna in de NATO AC/310 (later AC/326) “On Safety and Suitability for Service of Munitions” ingebracht en geldt vanaf midden jaren negentig als een NAVO-standaard voor de kwaliteitscontrole van op nitrocellulose gebaseerde kruiten. Behalve onderzoek van de normale vuurwapenkruiten worden ook allerlei nieuw ontwikkelde kruitsoorten in de WOP onderzocht op mogelijk zelfontbrandingsgevaar.
In de tweede helft van de jaren negentig komt Brazilië bij TNO omdat zij een explosie hebben gehad bij een van hun kruitvoorraden bij de Marine-opslag in Rio de Janeiro. Ze zijn gecharmeerd van de TNO-methode met de microcalorimeter en willen deze graag invoeren in het Braziliaanse leger. Wim de Klerk ontwikkelt daarvoor een moderne versie van de WOP, de Heat Flow Calorimeter, die betrekkelijk goedkoop en robuust is en samen met de industrie in beperkte aantallen kan worden gefabriceerd. Er is een compleet nieuwe lay-out gemaakt, met een nieuw control en data-acquisitiesysteem. In 2004 besluit het TNO-PML om ook zelf ook over te stappen op deze moderne Heat Flow Calorimeter methode. Na uitgebreide onderhandelingen en testfases wordt in 2005 het TNO-concept in zijn geheel overgenomen door de Brazilianen en worden zij opgeleid om met de apparatuur te kunnen werken. Later zijn de systemen op nog meer locaties in Brazilië geïnstalleerd.