Введение

Потеря контроля над экзотермическим процессом из-за повышения температуры. Положительная тепловая обратная связь в инженерных процессах.

Термический разгон описывает процесс, который ускоряется с повышением температуры, высвобождая энергию, которая, в свою очередь, еще больше повышает температуру. Термический разгон возникает в ситуациях, когда повышение температуры изменяет условия таким образом, что вызывает дальнейший рост температуры, часто приводя к разрушительным последствиям. Это разновидность неконтролируемой положительной обратной связи. В химии (и химической инженерии) термический разгон связан с сильно экзотермическими реакциями, ускоряющимися при повышении температуры. В электротехнике термический разгон обычно связан с увеличением тока и рассеиванием мощности. Термический разгон может возникать в строительной инженерии, особенно когда тепло, выделяемое большим объемом твердеющего бетона, не контролируется. В астрофизике неуправляемые реакции ядерного синтеза в звездах могут приводить к новым звездам и нескольким типам взрывов сверхновых, а также происходят как менее драматическое явление в нормальной эволюции звезд солнечной массы – "гелиевая вспышка".

Химическая инженерия

Химические реакции, включающие тепловой разгон, также называются тепловыми взрывами в химической инженерии или реакциями с неконтролируемым тепловыделением в органической химии. Это процесс, при котором экзотермическая реакция выходит из-под контроля: скорость реакции увеличивается из-за повышения температуры, вызывая дальнейшее повышение температуры и, следовательно, дальнейшее быстрое увеличение скорости реакции. Это способствовало промышленным химическим авариям, в частности, катастрофе в Техасском городе в 1947 году из-за перегретого нитрата аммония в трюме судна и взрыву зоалена в сушилке в Кингс-Линне в 1976 году. Теория Франка Каменецкого предоставляет упрощенную аналитическую модель теплового взрыва. Цепное разветвление является дополнительным механизмом положительной обратной связи, который также может привести к резкому повышению температуры из-за быстрого увеличения скорости реакции. Химические реакции являются либо эндотермическими, либо экзотермическими, что выражается их изменением энтальпии. Многие реакции являются высокоэкзотермическими, поэтому многие промышленные масштабы и процессы нефтепереработки имеют определенный уровень риска теплового разгона. К ним относятся гидрокрекинг, гидрогенизация, алкилирование (SN2), окисление, металлирование и нуклеофильное ароматическое замещение. Например, окисление циклогексана в циклогексанол и циклогексанон и ортоксилена в фталевый ангидрид приводило к катастрофическим взрывам, когда контроль реакции был потерян. Тепловой разгон может быть результатом нежелательной экзотермической побочной реакции, которая начинается при более высоких температурах после первоначального случайного перегрева реакционной смеси. Этот сценарий был причиной катастрофы в Севесо, где тепловой разгон нагрел реакцию до температур, при которых в дополнение к предполагаемому 2,4,5-трихлорфенолу также был произведен ядовитый 2,3,7,8-тетрахлордибензо-п-диоксин, который был выброшен в окружающую среду после разрыва разрывного диска реактора. Тепловой разгон чаще всего вызван отказом системы охлаждения реакторного сосуда. Неисправность смесителя может привести к локальному нагреву, что инициирует тепловой разгон. Аналогичным образом, в проточных реакторах локализованное недостаточное смешивание приводит к образованию горячих точек, в которых возникают условия теплового разгона, что вызывает сильные выбросы содержимого реактора и катализаторов. Неправильная установка компонентов оборудования также является распространенной причиной. Многие химические производственные объекты спроектированы с большим объемом аварийной вентиляции, чтобы ограничить степень травм и материального ущерба при таких авариях. В больших масштабах небезопасно "загружать все реагенты и смешивать", как это делается в лабораторных масштабах. Это связано с тем, что количество реакции масштабируется с кубом размера сосуда (V ∝ r³), но площадь теплопередачи масштабируется с квадратом размера (A ∝ r²), так что отношение тепловыделения к площади масштабируется с размером (V/A ∝ r). Следовательно, реакции, которые легко охлаждаются достаточно быстро в лаборатории, могут опасно самонагреваться в тонном масштабе. В 2007 году подобная ошибочная процедура вызвала взрыв реактора, используемого для металлизации метилциклопентадиена металлическим натрием, что привело к гибели четырех человек и части реактора были выброшены на расстояние 400 футов (122 м). Таким образом, реакции промышленного масштаба, склонные к тепловому разгону, предпочтительно контролируются путем добавления одного реагента со скоростью, соответствующей доступной охлаждающей способности. Некоторые лабораторные реакции должны выполняться при экстремальном охлаждении, потому что они очень склонны к опасному тепловому разгону. Например, при окислении Сверна образование хлорида сульфония должно выполняться в охлажденной системе (−30 °C), потому что при комнатной температуре реакция подвергается взрывоопасному тепловому разгону. Однако увеличение сопротивления с температурой помогает сбалансировать ток между несколькими MOSFET, соединенными параллельно, поэтому не происходит перегрузки по току. Если транзистор MOSFET производит больше тепла, чем может рассеять теплоотвод, то тепловой разгон все равно может уничтожить транзисторы. Эту проблему можно в некоторой степени уменьшить за счет снижения теплового сопротивления между кристаллом транзистора и теплоотводом. См. также Thermal Design Power (Тепловая мощность конструкции).

Варисторы оксида металла (MOV)

Оксидные варисторы обычно демонстрируют снижение сопротивления при нагреве. Если варистор подключен напрямую к шине переменного или постоянного тока (распространенный способ защиты от скачков напряжения), варистор с пониженным напряжением срабатывания может перейти в режим теплового прорыва, который может привести к небольшому взрыву или пожару. Для предотвращения этого ток короткого замыкания обычно ограничивается тепловым предохранителем, автоматическим выключателем или другим токоограничивающим устройством.

Конденсаторы из тантала

Танталовые конденсаторы при определенных условиях склонны к саморазрушению из-за теплового пробоя. Конденсатор обычно состоит из спеченной танталовой губки, выполняющей функцию анода, катода из диоксида марганца и диэлектрического слоя пентоксида тантала, сформированного на поверхности танталовой губки методом анодирования. Возможно, что в слое оксида тантала имеются слабые места, подвергающиеся диэлектрическому пробою при скачке напряжения. В этом случае танталовая губка непосредственно контактирует с диоксидом марганца, и увеличение тока утечки вызывает локальный нагрев; как правило, это инициирует эндотермическую химическую реакцию, в результате которой образуется оксид марганца(III) и восстанавливается (самовосстанавливается) диэлектрический слой оксида тантала. Однако, если энергия, рассеиваемая в точке пробоя, достаточно велика, может начаться самоподдерживающаяся экзотермическая реакция, аналогичная реакции термита, где металлический тантал выступает в роли топлива, а диоксид марганца – в роли окислителя. Эта нежелательная реакция приведет к разрушению конденсатора с выделением дыма и, возможно, пламени. Поэтому танталовые конденсаторы можно безопасно использовать в схемах с малым сигналом, но применение в мощных схемах требует тщательного проектирования для предотвращения теплового пробоя.

Цифровая логика

Ток утечки логических ключей увеличивается с ростом температуры. В редких случаях это может привести к тепловому разгону в цифровых схемах. Это не является распространенной проблемой, поскольку токи утечки обычно составляют небольшую долю общего энергопотребления, поэтому увеличение мощности относительно невелико — для Athlon 64 рассеивание мощности увеличивается примерно на 10% на каждые 30 градусов Цельсия. Для устройства с TDP 100 Вт, чтобы произошел тепловой разгон, теплоотвод должен иметь тепловое сопротивление более 3 К/Вт (кельвинов на ватт), что примерно в 6 раз хуже, чем у стандартного теплоотвода Athlon 64. (Стандартный теплоотвод Athlon 64 имеет тепловое сопротивление 0,34 К/Вт, хотя фактическое тепловое сопротивление окружающей среде несколько выше из-за теплового контакта между процессором и теплоотводом, повышения температуры внутри корпуса и других тепловых сопротивлений.) В любом случае, недостаточный теплоотвод с тепловым сопротивлением более 0,5–1 К/Вт приведет к выходу из строя 100-ваттного устройства даже без эффекта теплового разгона.

Аккумуляторы

При неправильном обращении или при дефектах производства некоторые перезаряжаемые аккумуляторы могут испытывать тепловой разгон, приводящий к перегреву. Герметичные элементы иногда взрываются, если предохранительные вентиляционные отверстия перегружены или неисправны. Особенно склонны к тепловому разгону литий-ионные аккумуляторы, в особенности литий-полимерные. В газетах периодически появляются сообщения о взрывающихся мобильных телефонах. В 2006 году аккумуляторы от Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell и других производителей ноутбуков были отозваны из-за пожаров и взрывов. Управление безопасности трубопроводов и опасных материалов (PHMSA) Министерства транспорта США установило правила, касающиеся перевозки определенных типов аккумуляторов на самолетах из-за их нестабильности в определенных ситуациях. Это было частично вызвано пожаром в грузовом отсеке самолета FedEx. Одним из возможных решений является использование более безопасных и менее реакционноспособных материалов для анода (титанаты лития) и катода (литий-железофосфат) — тем самым избегая кобальтовых электродов во многих литиевых перезаряжаемых элементах — в сочетании с негорючими электролитами на основе ионных жидкостей.

Астрофизика

Термоядерные реакции могут возникать в звездах, когда ядерный синтез инициируется в условиях, при которых гравитационное давление, оказываемое вышележащими слоями звезды, значительно превышает тепловое давление, что позволяет температуре быстро расти за счет гравитационного сжатия. Такой сценарий может возникнуть в звездах, содержащих вырожденное вещество, где давление вырождения электронов, а не обычное тепловое давление, в основном поддерживает звезду против гравитации, а также в звездах, испытывающих имплозию. Во всех случаях дисбаланс возникает до начала синтеза; в противном случае реакции синтеза естественным образом регулировались бы, чтобы противодействовать изменениям температуры и стабилизировать звезду. Когда тепловое давление находится в равновесии с внешним давлением, звезда будет реагировать на повышение температуры и теплового давления, вызванное началом новой экзотермической реакции, расширением и охлаждением. Неуправляемая реакция возможна только тогда, когда эта реакция подавляется.

Вспышки гелия в красных гигантах

Когда звезды в диапазоне от 0,8 до 2,0 солнечных масс исчерпывают водород в своих ядрах и превращаются в красные гиганты, накапливающийся в их ядрах гелий достигает состояния вырождения до того, как происходит его воспламенение. Когда вырожденное ядро достигает критической массы около 0,45 солнечных масс, начинается термоядерный синтез гелия, который развивается неуправляемо, что называется гелиевой вспышкой. Это кратковременно увеличивает выработку энергии звезды в 100 миллиардов раз по сравнению с нормальным уровнем. Примерно 6% ядра быстро преобразуется в углерод. Хотя выделяемой энергии достаточно, чтобы вернуть ядро в состояние нормальной плазмы через несколько секунд, это не разрушает звезду и не приводит к немедленному изменению её светимости. Затем звезда сжимается, покидая фазу красного гиганта и продолжая эволюцию в стабильную фазу горения гелия.

Новые

Новая возникает в результате неконтролируемого термоядерного синтеза водорода (через CNO-цикл) во внешнем слое углеродно-кислородного белого карлика. Если у белого карлика есть компаньон, с которого он может аккрецировать газ, вещество будет накапливаться в поверхностном слое, вырожденном под воздействием интенсивной гравитации карлика. При определенных условиях достаточно толстый слой водорода в конечном итоге нагревается до температуры 20 миллионов К, что приводит к неконтролируемому синтезу. Поверхностный слой сбрасывается с белого карлика, увеличивая светимость в 50 000 раз. Однако белый карлик и его компаньон остаются неповрежденными, поэтому процесс может повторяться. Гораздо более редкий тип новой может возникнуть, когда внешний слой, который воспламеняется, состоит из гелия.

Рентгеновские всплески

Аналогично процессу, приводящему к новым звездам, вырожденное вещество также может накапливаться на поверхности нейтронной звезды, аккрецирующей газ от близкого компаньона. Если накопится достаточно толстый слой водорода, воспламенение неуправляемой термоядерной реакции водорода может привести к рентгеновскому всплеску. Как и в случае с новыми, такие всплески, как правило, повторяются и могут также быть вызваны термоядерным синтезом гелия или даже углерода. Было предложено, что в случае "супервсплесков" неуправляемый распад накопленных тяжелых ядер на ядра железной группы посредством фотодиссоциации, а не термоядерного синтеза, может вносить основной вклад в энергию всплеска. Вторым и, по-видимому, более распространенным механизмом, генерирующим тот же тип взрыва, является слияние двух белых карликов.

Сверхновые с парами нестабильности

Считается, что сверхновая от неустойчивости пар возникает в результате неконтролируемого слияния кислорода в ядре массивной звезды массой от 130 до 250 солнечных масс с низкой или умеренной металличностью. Согласно теории, в такой звезде накапливается большое, но относительно малоплотное ядро, состоящее из кислорода, который еще не начал синтез, и его вес поддерживается давлением гамма-лучей, образующихся при экстремальной температуре. По мере дальнейшего нагрева ядра гамма-лучи в конечном итоге достигают энергетического порога, необходимого для коллизионного распада на электронно-позитронные пары – процесс, называемый образованием пар. Это приводит к падению давления внутри ядра, что вызывает его сжатие и дальнейший нагрев, что, в свою очередь, приводит к увеличению образования пар, дальнейшему падению давления и так далее. Ядро начинает испытывать гравитационный коллапс. В какой-то момент это запускает неконтролируемое слияние кислорода, высвобождающее достаточно энергии для полного разрушения звезды. Эти взрывы редки, возможно, около одного на 100 000 сверхновых.

Сравнение с неисчезнувшими сверхновыми

Не все сверхновые вызываются неуправляемым ядерным синтезом. Сверхновые типов Ib, Ic и II также переживают коллапс ядра, но поскольку они исчерпали запас атомных ядер, способных к экзотермическим реакциям синтеза, они коллапсируют непосредственно в нейтронные звезды, а в случаях с большей массой – в звездные чёрные дыры, высвобождая энергию взрыва за счёт гравитационной потенциальной энергии (в основном посредством высвобождения нейтрино). Отсутствие неуправляемых реакций синтеза позволяет таким сверхновым оставлять после себя компактные звёздные остатки.