Fuga termica - Thermal runaway

Schema della fuga termica

La fuga termica descrive un processo che viene accelerato dall'aumento della temperatura , rilasciando a sua volta energia che aumenta ulteriormente la temperatura. La fuga termica si verifica in situazioni in cui un aumento della temperatura modifica le condizioni in un modo che provoca un ulteriore aumento della temperatura, portando spesso a un risultato distruttivo. È una sorta di feedback positivo incontrollato .

In chimica (e ingegneria chimica ), la fuga termica è associata a reazioni fortemente esotermiche che vengono accelerate dall'aumento della temperatura. In elettrotecnica , deriva termica è tipicamente associata ad un aumento del flusso di corrente e potenza dissipata . L'instabilità termica può verificarsi nell'ingegneria civile , in particolare quando il calore rilasciato da grandi quantità di calcestruzzo stagionato non è controllato. In astrofisica , le reazioni di fusione nucleare incontrollate nelle stelle possono portare a nova e diversi tipi di esplosioni di supernova , e si verificano anche come un evento meno drammatico nella normale evoluzione delle stelle di massa solare, il " lampo di elio ".

Alcuni ricercatori sul clima hanno ipotizzato che un aumento della temperatura media globale di 3-4 gradi Celsius al di sopra della linea di base preindustriale potrebbe portare a un ulteriore aumento incontrollato delle temperature superficiali. Ad esempio, le emissioni di metano , un gas serra più potente della CO 2 , da zone umide , fusione permafrost e margine continentale fondali clatrati depositi potrebbero essere soggette a risposte positive .

Ingegneria Chimica

Instabilità termica è anche chiamato esplosione termica in ingegneria chimica , o reazioni runaway in chimica organica . È un processo per cui una reazione esotermica va fuori controllo: la velocità di reazione aumenta a causa di un aumento della temperatura, provocando un ulteriore aumento della temperatura e quindi un ulteriore rapido aumento della velocità di reazione. Ciò ha contribuito a incidenti chimici industriali , in particolare il disastro di Texas City del 1947 dovuto al surriscaldamento del nitrato di ammonio nella stiva di una nave e l'esplosione di zoalene del 1976 , in un essiccatore, a King's Lynn . La teoria di Frank-Kamenetskii fornisce un modello analitico semplificato per l'esplosione termica. La ramificazione della catena è un ulteriore meccanismo di feedback positivo che può anche far salire alle stelle la temperatura a causa del rapido aumento della velocità di reazione.

Le reazioni chimiche sono endotermiche o esotermiche, come espresso dalla loro variazione di entalpia . Molte reazioni sono altamente esotermiche, quindi molti processi su scala industriale e di raffineria di petrolio hanno un certo livello di rischio di fuga termica. Questi includono idrocracking , idrogenazione , alchilazione (S N 2), ossidazione , metallazione e sostituzione aromatica nucleofila . Ad esempio, l'ossidazione del cicloesano in cicloesanolo e cicloesanone e orto-xilene in anidride ftalica hanno portato a esplosioni catastrofiche quando il controllo della reazione fallisce.

L'instabilità termica può derivare da reazioni collaterali esotermiche indesiderate che iniziano a temperature più elevate, a seguito di un surriscaldamento accidentale iniziale della miscela di reazione. Questo scenario era alla base del disastro di Seveso , dove la fuga termica ha riscaldato una reazione alle temperature tale che oltre al previsto 2,4,5- triclorofenolo , è stato prodotto anche il velenoso 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-diossina , e è stato scaricato nell'ambiente dopo lo scoppio del disco di rottura del reattore .

L'instabilità termica è spesso causata da un guasto del sistema di raffreddamento del recipiente del reattore . Il guasto del miscelatore può provocare un riscaldamento localizzato, che avvia un'instabilità termica. Analogamente, nei reattori a flusso , una miscelazione insufficiente localizzata provoca la formazione di punti caldi, in cui si verificano condizioni di fuga termica, che provocano scoppi violenti del contenuto del reattore e dei catalizzatori. Anche l'installazione errata dei componenti dell'apparecchiatura è una causa comune. Molti impianti di produzione di sostanze chimiche sono progettati con ventilazione di emergenza ad alto volume, una misura per limitare l'entità delle lesioni e dei danni alle proprietà quando si verificano tali incidenti.

Su larga scala, non è sicuro "caricare tutti i reagenti e miscelarli", come avviene su scala di laboratorio. Questo perché la quantità di reazione scala con il cubo della dimensione del recipiente (V ∝ r³), ma l'area di scambio termico scala con il quadrato della dimensione (A ∝ r²), in modo che la produzione di calore per area il rapporto scala con la dimensione (V/A ∝ r). Di conseguenza, le reazioni che si raffreddano facilmente e abbastanza velocemente in laboratorio possono autoriscaldarsi pericolosamente su una scala di tonnellate. Nel 2007, questo tipo di procedimento erroneo causato un'esplosione di un 2.400 galloni (9,100 L) -reactor utilizzati per metallato metilciclopentadiene con metallici sodio , causando la perdita di quattro vite e parti dell'essere reattore scagliato 400 piedi (120 m) distanza . Pertanto, le reazioni su scala industriale soggette a fuga termica sono preferibilmente controllate mediante l'aggiunta di un reagente ad una velocità corrispondente alla capacità di raffreddamento disponibile.

Alcune reazioni di laboratorio devono essere eseguite in condizioni di raffreddamento estremo, perché sono molto soggette a pericolose fughe termiche. Ad esempio, nell'ossidazione di Swern , la formazione di cloruro di solfonio deve essere eseguita in un sistema raffreddato (−30 ° C), perché a temperatura ambiente la reazione subisce una fuga termica esplosiva.

Riscaldamento a microonde

Le microonde vengono utilizzate per il riscaldamento di vari materiali in cucina e vari processi industriali. La velocità di riscaldamento del materiale dipende dall'assorbimento di energia, che dipende dalla costante dielettrica del materiale. La dipendenza della costante dielettrica dalla temperatura varia a seconda dei materiali; alcuni materiali mostrano un aumento significativo con l'aumento della temperatura. Questo comportamento, quando il materiale viene esposto alle microonde, porta ad un surriscaldamento locale selettivo, in quanto le zone più calde sono in grado di accettare più energia rispetto alle zone più fredde, potenzialmente pericolose soprattutto per gli isolanti termici, dove lo scambio termico tra i punti caldi e il il resto del materiale è lento. Questi materiali sono chiamati materiali di fuga termica . Questo fenomeno si verifica in alcune ceramiche .

Ingegnere elettrico

Alcuni componenti elettronici sviluppano resistenze inferiori o tensioni di innesco inferiori (per resistenze non lineari) all'aumentare della loro temperatura interna. Se le condizioni del circuito causano un flusso di corrente notevolmente aumentato in queste situazioni, una maggiore dissipazione di potenza può aumentare ulteriormente la temperatura mediante riscaldamento Joule . Un circolo vizioso o un effetto di feedback positivo dell'instabilità termica può causare guasti, a volte in modo spettacolare (ad es. esplosione elettrica o incendio). Per prevenire questi rischi, i sistemi elettronici ben progettati in genere incorporano una protezione che limita la corrente, come fusibili termici, interruttori automatici o limitatori di corrente PTC .

Per gestire correnti maggiori, i progettisti di circuiti possono collegare più dispositivi di capacità inferiore (ad esempio transistor, diodi o MOV ) in parallelo . Questa tecnica può funzionare bene, ma è suscettibile di un fenomeno chiamato hogging di corrente , in cui la corrente non è condivisa equamente tra tutti i dispositivi. Tipicamente, un dispositivo può avere una resistenza leggermente inferiore e quindi assorbe più corrente, riscaldandolo più dei suoi dispositivi fratelli, causando un ulteriore calo della sua resistenza. Il carico elettrico finisce per incanalarsi in un unico dispositivo, che poi si guasta rapidamente. Pertanto, una serie di dispositivi potrebbe risultare non più robusta del suo componente più debole.

L'effetto di assorbimento di corrente può essere ridotto abbinando accuratamente le caratteristiche di ciascun dispositivo in parallelo o utilizzando altre tecniche di progettazione per bilanciare il carico elettrico. Tuttavia, mantenere il bilanciamento del carico in condizioni estreme potrebbe non essere semplice. I dispositivi con un coefficiente di temperatura positivo intrinseco (PTC) della resistenza elettrica sono meno inclini all'hogging di corrente, ma possono comunque verificarsi fughe termiche a causa del cattivo assorbimento del calore o di altri problemi.

Molti circuiti elettronici contengono disposizioni speciali per prevenire la fuga termica. Questo è più spesso visto nelle disposizioni di polarizzazione dei transistor per stadi di uscita ad alta potenza. Tuttavia, quando l'apparecchiatura viene utilizzata al di sopra della temperatura ambiente prevista, in alcuni casi può ancora verificarsi un'instabilità termica. Ciò causa occasionalmente guasti alle apparecchiature in ambienti caldi o quando le prese d' aria di raffreddamento sono bloccate.

Semiconduttori

Il silicio mostra un profilo peculiare, in quanto la sua resistenza elettrica aumenta con la temperatura fino a circa 160 °C, poi inizia a diminuire , e scende ulteriormente quando viene raggiunto il punto di fusione. Ciò può portare a fenomeni di fuga termica all'interno delle regioni interne della giunzione del semiconduttore ; la resistenza diminuisce nelle zone che si riscaldano al di sopra di tale soglia, lasciando fluire più corrente nelle zone surriscaldate, provocando a sua volta un ulteriore riscaldamento rispetto alle zone circostanti, che porta ad un ulteriore aumento della temperatura e alla diminuzione della resistenza. Ciò porta al fenomeno dell'affollamento di corrente e alla formazione di filamenti di corrente (simile all'hogging di corrente, ma all'interno di un singolo dispositivo) ed è una delle cause alla base di molti guasti alle giunzioni dei semiconduttori .

Transistor a giunzione bipolare (BJT)

La corrente di dispersione aumenta in modo significativo nei transistor bipolari (in particolare i transistor bipolari a base di germanio ) all'aumentare della temperatura. A seconda della progettazione del circuito, questo aumento della corrente di dispersione può aumentare la corrente che scorre attraverso un transistor e quindi la dissipazione di potenza , provocando un ulteriore aumento della corrente di dispersione collettore-emettitore. Questo è spesso visto in uno stadio push-pull di un amplificatore di classe AB . Se i transistor pull-up e pull-down sono polarizzati per avere una distorsione di crossover minima a temperatura ambiente e la polarizzazione non è compensata dalla temperatura, allora all'aumentare della temperatura entrambi i transistor saranno sempre più polarizzati, causando un ulteriore aumento della corrente e della potenza , ed eventualmente distruggendo uno o entrambi i dispositivi.

Una regola empirica per evitare l'instabilità termica è mantenere il punto di lavoro di un BJT in modo che V ce ≤ 1/2V cc

Un'altra pratica consiste nel montare un transistor di rilevamento del feedback termico o un altro dispositivo sul dissipatore di calore, per controllare la tensione di polarizzazione del crossover. Quando i transistor di uscita si surriscaldano, anche il transistor di feedback termico si riscalda. Ciò a sua volta fa sì che il transistor di feedback termico si accenda a una tensione leggermente inferiore, riducendo la tensione di polarizzazione del crossover e quindi riducendo il calore dissipato dai transistor di uscita.

Se più transistor BJT sono collegati in parallelo (tipico nelle applicazioni ad alta corrente), può verificarsi un problema di hogging. Devono essere adottate misure speciali per controllare questa vulnerabilità caratteristica dei BJT.

Nei transistor di potenza (che effettivamente consistono in molti piccoli transistor in parallelo), può verificarsi un hogging di corrente tra diverse parti del transistor stesso, con una parte del transistor che diventa più calda delle altre. Questo è chiamato secondo guasto e può provocare la distruzione del transistor anche quando la temperatura media della giunzione sembra essere a un livello sicuro.

MOSFET di potenza

I MOSFET di potenza in genere aumentano la loro resistenza all'accensione con la temperatura. In alcune circostanze, la potenza dissipata in questa resistenza provoca un maggiore riscaldamento della giunzione, che aumenta ulteriormente la temperatura della giunzione , in un anello di feedback positivo . Di conseguenza, i MOSFET di potenza hanno regioni di funzionamento stabili e instabili. Tuttavia, l'aumento della resistenza all'accensione con la temperatura aiuta a bilanciare la corrente su più MOSFET collegati in parallelo, quindi non si verifica l'hogging di corrente. Se un transistor MOSFET produce più calore di quanto il dissipatore di calore possa dissipare, l'instabilità termica può ancora distruggere i transistor. Questo problema può essere alleviato in una certa misura abbassando la resistenza termica tra il die del transistor e il dissipatore di calore. Vedere anche Potenza di progettazione termica .

Varistori ad ossido di metallo (MOV)

I varistori a ossido di metallo in genere sviluppano una resistenza inferiore quando si riscaldano. Se collegato direttamente attraverso un bus di alimentazione CA o CC (un uso comune per la protezione contro i transitori elettrici ), un MOV che ha sviluppato una tensione di innesco ridotta può scivolare in una catastrofica fuga termica, eventualmente culminando in una piccola esplosione o incendio. Per prevenire questa possibilità, la corrente di guasto è generalmente limitata da un fusibile termico, un interruttore automatico o un altro dispositivo di limitazione della corrente.

Condensatori al tantalio

I condensatori al tantalio sono, in alcune condizioni, inclini all'autodistruzione per instabilità termica. Il condensatore è tipicamente costituito da una spugna di tantalio sinterizzata che funge da anodo , un catodo di biossido di manganese e uno strato dielettrico di pentossido di tantalio creato sulla superficie della spugna di tantalio mediante anodizzazione . Può accadere che lo strato di ossido di tantalio presenti punti deboli che subiscono una rottura dielettrica durante un picco di tensione . La spugna di tantalio viene quindi a diretto contatto con il biossido di manganese, e l'aumento della corrente di dispersione provoca un riscaldamento localizzato; di solito, questo innesca una reazione chimica endotermica che produce ossido di manganese (III) e rigenera ( auto-guarisce ) lo strato dielettrico di ossido di tantalio.

Tuttavia, se l'energia dissipata nel punto di rottura è sufficientemente elevata, può iniziare una reazione esotermica autosufficiente , simile alla reazione della termite , con tantalio metallico come combustibile e biossido di manganese come ossidante. Questa reazione indesiderata distruggerà il condensatore, producendo fumo e possibilmente fiamme .

Pertanto, i condensatori al tantalio possono essere utilizzati liberamente in circuiti a segnale ridotto, ma l'applicazione in circuiti ad alta potenza deve essere attentamente progettata per evitare guasti termici.

Logica digitale

La corrente di dispersione dei transistor a commutazione logica aumenta con la temperatura. In rari casi, ciò può portare a un'instabilità termica nei circuiti digitali. Questo non è un problema comune, poiché le correnti di dispersione di solito costituiscono una piccola parte del consumo energetico complessivo, quindi l'aumento di potenza è abbastanza modesto: per un Athlon 64 , la dissipazione di potenza aumenta di circa il 10% ogni 30 gradi Celsius. Per un dispositivo con un TDP di 100 W, affinché si verifichi una fuga termica, il dissipatore di calore dovrebbe avere una resistività termica di oltre 3 K/W (kelvin per watt), che è circa 6 volte peggiore di un Athlon 64 di serie. Lavello. (Un dissipatore di calore Athlon 64 di serie è valutato a 0,34 K/W, sebbene l'effettiva resistenza termica all'ambiente sia leggermente superiore, a causa del confine termico tra processore e dissipatore di calore, temperature in aumento nel case e altre resistenze termiche.) , un dissipatore di calore inadeguato con una resistenza termica superiore a 0,5 a 1 K/W comporterebbe la distruzione di un dispositivo da 100 W anche senza effetti di fuga termica.

batterie

Se maneggiate in modo improprio o prodotte in modo difettoso, alcune batterie ricaricabili possono subire un'instabilità termica con conseguente surriscaldamento. Le celle sigillate a volte esplodono violentemente se le prese d'aria di sicurezza sono sopraffatte o non funzionanti. Particolarmente inclini alla fuga termica sono le batterie agli ioni di litio , più marcatamente sotto forma di batteria ai polimeri di litio . Di tanto in tanto sui giornali compaiono resoconti di esplosioni di telefoni cellulari. Nel 2006, le batterie di Apple, HP, Toshiba, Lenovo, Dell e altri produttori di notebook sono state richiamate a causa di incendi ed esplosioni. La Pipeline and Hazardous Materials Safety Administration (PHMSA) del Dipartimento dei trasporti degli Stati Uniti ha stabilito norme relative al trasporto di determinati tipi di batterie sugli aerei a causa della loro instabilità in determinate situazioni. Questa azione è stata parzialmente ispirata da un incendio nella stiva di carico su un aereo UPS . Una delle possibili soluzioni consiste nell'utilizzare materiali anodici (titanati di litio) e catodici ( fosfato di ferro e litio) più sicuri e meno reattivi - evitando così gli elettrodi di cobalto in molte celle ricaricabili al litio - insieme a elettroliti non infiammabili a base di liquidi ionici.

Astrofisica

Reazioni termonucleari incontrollate possono verificarsi nelle stelle quando la fusione nucleare viene innescata in condizioni in cui la pressione gravitazionale esercitata dagli strati sovrastanti della stella supera notevolmente la pressione termica , una situazione che rende possibili rapidi aumenti di temperatura attraverso la compressione gravitazionale . Tale scenario può verificarsi in stelle contenenti materia degenere , in cui la pressione di degenerazione degli elettroni piuttosto che la normale pressione termica fa la maggior parte del lavoro di sostegno della stella contro la gravità, e nelle stelle in fase di implosione. In tutti i casi, lo squilibrio si manifesta prima dell'accensione della fusione; in caso contrario, le reazioni di fusione sarebbero regolate naturalmente per contrastare le variazioni di temperatura e stabilizzare la stella. Quando la pressione termica è in equilibrio con la pressione sovrastante, una stella risponderà all'aumento di temperatura e pressione termica dovuto all'inizio di una nuova reazione esotermica espandendosi e raffreddandosi. Una reazione incontrollata è possibile solo quando questa risposta è inibita.

Lampi di elio nelle stelle giganti rosse

Quando le stelle nell'intervallo di massa solare 0,8-2,0 esauriscono l'idrogeno nei loro nuclei e diventano giganti rosse , l'elio che si accumula nei loro nuclei raggiunge la degenerazione prima di accendersi. Quando il nucleo degenerato raggiunge una massa critica di circa 0,45 masse solari, la fusione dell'elio viene innescata e decolla in modo incontrollato, chiamato lampo di elio , aumentando brevemente la produzione di energia della stella a un tasso 100 miliardi di volte normale. Circa il 6% del nucleo viene rapidamente convertito in carbonio. Sebbene il rilascio sia sufficiente per convertire il nucleo in plasma normale dopo pochi secondi, non interrompe la stella, né cambia immediatamente la sua luminosità. La stella quindi si contrae, lasciando la fase di gigante rossa e continuando la sua evoluzione in una fase stabile di combustione dell'elio .

Novae

Una nova risulta dalla fusione di idrogeno fuori controllo (attraverso il ciclo CNO ) nello strato esterno di una stella nana bianca carbonio-ossigeno . Se una nana bianca ha una stella compagna dalla quale può accumulare gas , il materiale si accumulerà in uno strato superficiale reso degenerato dall'intensa gravità della nana. Nelle giuste condizioni, uno strato di idrogeno sufficientemente spesso viene infine riscaldato a una temperatura di 20 milioni di K, innescando una fusione incontrollata. Lo strato superficiale viene spazzato via dalla nana bianca, aumentando la luminosità di un fattore dell'ordine di 50.000. Tuttavia, la nana bianca e il compagno rimangono intatti, quindi il processo può ripetersi. Un tipo molto più raro di nova può verificarsi quando lo strato esterno che si accende è composto da elio.

Esplosioni di raggi X

Analogamente al processo che porta alle novae, la materia degenerata può anche accumularsi sulla superficie di una stella di neutroni che sta accumulando gas da una compagna vicina. Se uno strato sufficientemente spesso di idrogeno si accumula, accensione di fusione dell'idrogeno fuga può quindi portare a una raffica di raggi X . Come con le novae, tali esplosioni tendono a ripetersi e possono anche essere innescate dall'elio o persino dalla fusione del carbonio. È stato proposto che nel caso di "superburst", la rottura incontrollata di nuclei pesanti accumulati in nuclei di gruppi di ferro tramite fotodissociazione piuttosto che fusione nucleare potrebbe contribuire alla maggior parte dell'energia del burst.

Supernove di tipo Ia

Una supernova di tipo Ia risulta dalla fusione del carbonio incontrollata nel nucleo di una stella nana bianca carbonio-ossigeno. Se una nana bianca, che è composta quasi interamente da materia degenere, può guadagnare massa da una compagna, l'aumento della temperatura e della densità del materiale nel suo nucleo accenderà la fusione del carbonio se la massa della stella si avvicina al limite di Chandrasekhar . Questo porta a un'esplosione che distrugge completamente la stella. La luminosità aumenta di un fattore superiore a 5 miliardi. Un modo per ottenere la massa aggiuntiva sarebbe l' accrescimento di gas da una stella gigante (o anche dalla sequenza principale ) compagna. Un secondo meccanismo apparentemente più comune per generare lo stesso tipo di esplosione è la fusione di due nane bianche .

Supernove ad instabilità di coppia

Si ritiene che una supernova a instabilità di coppia derivi dalla fusione di ossigeno incontrollata nel nucleo di una stella massiccia , di 130-250 massa solare, da bassa a moderata metallicità . Secondo la teoria, in una stella del genere si accumula un nucleo di ossigeno non fondente, grande ma di densità relativamente bassa, il cui peso è sostenuto dalla pressione dei raggi gamma prodotti dalla temperatura estrema. Man mano che il nucleo si riscalda ulteriormente, i raggi gamma alla fine iniziano a superare la soglia di energia necessaria per il decadimento indotto dalla collisione nelle coppie elettrone - positrone , un processo chiamato produzione di coppie . Ciò provoca un calo della pressione all'interno del nucleo, portandolo a contrarsi e riscaldarsi ulteriormente, causando una maggiore produzione di coppie, un'ulteriore caduta di pressione e così via. Il nucleo inizia a subire il collasso gravitazionale . Ad un certo punto questo accende la fusione di ossigeno incontrollata, rilasciando energia sufficiente per cancellare la stella. Queste esplosioni sono rare, forse circa una ogni 100.000 supernove.

Confronto con supernove non in fuga

Non tutte le supernove sono innescate da una fusione nucleare fuori controllo. Anche le supernove di tipo Ib, Ic e di tipo II subiscono un collasso del nucleo, ma poiché hanno esaurito la loro scorta di nuclei atomici in grado di subire reazioni di fusione esotermica, collassano completamente in stelle di neutroni o, nei casi di massa maggiore, buchi neri stellari , alimentando le esplosioni mediante il rilascio di energia potenziale gravitazionale (in gran parte tramite il rilascio di neutrini ). È l'assenza di reazioni di fusione incontrollate che consente a tali supernove di lasciare residui stellari compatti .

Guarda anche

Riferimenti

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