熱暴走

熱暴走とは、温度の上昇によって加速され、エネルギーが放出されてさらに温度が上昇するプロセスを指します。熱暴走は、温度の上昇によって条件が変化し、さらに温度が上昇する状況で発生し、多くの場合、破壊的な結果につながります。これは、制御されていない正のフィードバックの一種です。

化学（および化学工学）において、熱暴走は温度上昇によって加速される強い発熱反応と関連している。電気工学において、熱暴走は通常、電流の増加と電力消費と関連している。土木工学では、特に大量の硬化コンクリートから放出される熱 が制御されていない場合に熱暴走が発生することがある。 ^[要出典]天体物理学 では、恒星の核融合反応の暴走は新星やいくつかの種類の超新星爆発につながる可能性があり、また太陽質量の恒星の通常の進化におけるそれほど劇的ではないイベントである「ヘリウムフラッシュ」としても発生する。

熱暴走を伴う化学反応は、化学工学では熱爆発、有機化学では暴走反応とも呼ばれる。これは発熱反応が制御不能になるプロセスである。温度上昇により反応速度が上昇し、さらなる温度上昇を引き起こし、したがって反応速度がさらに急速に増加する。これは産業化学事故の一因となっており、最も有名なのは1947年のテキサスシティでの船倉内の過熱した硝酸アンモニウムによる惨事と、1976年のキングスリンの乾燥機内でのゾアレンの爆発である。^[1]フランク・カメネツキー理論は、熱爆発の簡略化された解析モデルを提供する。鎖分岐は追加の正のフィードバック機構であり、これもまた反応速度の急上昇により温度の急上昇を引き起こす可能性がある。

化学反応は、エンタルピーの変化で表されるように、吸熱反応か発熱反応のいずれかです。多くの反応は発熱性が極めて高いため、多くの工業規模および石油精製プロセスには、ある程度の熱暴走のリスクがあります。これには、水素化分解、水素化、アルキル化(S _N 2)、酸化、メタル化、および求核芳香族置換反応が含まれます。たとえば、シクロヘキサンのシクロヘキサノールとシクロヘキサノンへの酸化、およびオルトキシレンの無水フタル酸への酸化は、反応制御に失敗した場合に壊滅的な爆発を引き起こしました。

熱暴走は、反応混合物の最初の偶発的な過熱に続いて、高温で始まる望ましくない発熱副反応によって発生する可能性があります。このシナリオはセベソ災害の背景にあり、熱暴走によって反応が加熱され、意図した2,4,5-トリクロロフェノールに加えて、有毒な2,3,7,8-テトラクロロジベンゾ-p-ダイオキシンも生成され、原子炉の破裂ディスクが破裂した後に環境に放出されました。^[2]

熱暴走は、ほとんどの場合、反応容器の冷却システムの故障によって発生します。ミキサーの故障により局所的な加熱が発生し、熱暴走が始まります。同様に、フローリアクターでは、局所的な不十分な混合によりホットスポットが形成され、そこで熱暴走状態が発生し、リアクターの内容物と触媒が激しく噴出します。機器コンポーネントの不適切な取り付けも一般的な原因です。多くの化学製造施設は、このような事故が発生したときに負傷や物的損害の範囲を制限する対策として、大容量の緊急ベントを備えて設計されています。

大規模では、実験室規模で行われているように「すべての試薬を投入して混ぜる」ことは安全ではありません。これは、反応量は容器の大きさの 3 乗に比例しますが (V ∝ r³)、伝熱面積は大きさの 2 乗に比例するため (A ∝ r²)、熱発生対面積比は大きさに比例します (V/A ∝ r)。その結果、実験室では簡単に急速に冷却される反応でも、トン規模では危険なほど自己発熱する可能性があります。2007 年には、この種の誤った手順により、金属ナトリウムでメチル シクロペンタジエンを金属化するために使用された 2,400 米ガロン (9,100 L) の反応器が爆発し、4 人が死亡し、反応器の部品が 400 フィート (120 m) 離れた場所まで飛ばされました。^{[3] [4]}したがって、熱暴走を起こしやすい工業規模の反応は、利用可能な冷却能力に対応する速度で１つの試薬を添加することによって制御することが好ましい。

いくつかの実験室反応は危険な熱暴走を起こしやすいため、極度の冷却下で実行する必要があります。たとえば、スワーン酸化では、反応が室温で爆発的な熱暴走を起こすため、塩化スルホニウムの生成は 冷却システム（-30℃）で実行する必要があります。^[4]

マイクロ波は、調理やさまざまな工業プロセスにおいて、さまざまな材料を加熱するために使用されます。材料の加熱速度はエネルギー吸収に依存し、エネルギー吸収は材料の誘電率に依存します。誘電率の温度依存性は材料によって異なります。一部の材料は、温度上昇とともに大幅に増加します。材料がマイクロ波にさらされると、この動作により、暖かい領域は冷たい領域よりもエネルギーをよりよく受け入れることができるため、選択的な局所過熱が起こり、特に断熱材にとっては潜在的に危険です。断熱材では、ホットスポットと材料の残りの部分との間の熱交換が遅いためです。これらの材料は、熱暴走材料と呼ばれます。この現象は、一部のセラミックで発生します。

一部の電子部品は、内部温度が上昇すると抵抗が低下したり、トリガー電圧 (非線形抵抗の場合) が低下します。このような状況で回路の状態により電流が著しく増加すると、消費電力の増加によりジュール熱によって温度がさらに上昇する可能性があります。熱暴走の悪循環または正のフィードバック効果により、時には派手な形で故障が発生する可能性があります (電気爆発や火災など)。これらの危険を防ぐために、適切に設計された電子システムには、通常、サーマル ヒューズ、回路ブレーカー、PTC電流リミッターなどの電流制限保護が組み込まれています。

より大きな電流を扱うために、回路設計者は複数の低容量デバイス（トランジスタ、ダイオード、MOVなど）を並列に接続することがあります。この手法はうまく機能しますが、電流がすべてのデバイス間で均等に共有されない、電流ホギングと呼ばれる現象の影響を受けやすくなります。通常、1つのデバイスの抵抗がわずかに低いため、より多くの電流が流れ、兄弟デバイスよりも加熱され、抵抗がさらに低下します。電気負荷は最終的に1つのデバイスに集中し、そのデバイスはすぐに故障します。そのため、デバイスのアレイは、最も弱いコンポーネントよりも堅牢にならなくなる可能性があります。

電流を大量に消費する効果は、並列接続された各デバイスの特性を慎重に一致させるか、その他の設計手法を使用して電気負荷をバランスさせることで軽減できます。ただし、過酷な条件下で負荷バランスを維持するのは簡単ではありません。電気抵抗の固有の正温度係数(PTC) を持つデバイスは電流を大量に消費する傾向は低いですが、ヒートシンクの不良やその他の問題により熱暴走が発生する可能性は依然としてあります。

多くの電子回路には、熱暴走を防ぐための特別な対策が施されています。これは、高出力段のトランジスタ バイアス構成で最もよく見られます。ただし、機器が設計された周囲温度を超えて使用されると、場合によっては熱暴走が発生することがあります。このため、高温環境や空気冷却口が塞がれている場合に機器が故障することがあります。

シリコンは、約 160 °C までの温度では電気抵抗が増加し、その後減少し始め、融点に達するとさらに低下するという特異なプロファイルを示します。これにより、半導体接合部の内部領域で熱暴走現象が発生する可能性があります。このしきい値を超えて加熱された領域では抵抗が減少し、過熱された領域に流れる電流が増加し、周囲の領域と比較してさらに加熱されるため、温度が上昇して抵抗が減少します。これにより、電流の集中と電流フィラメントの形成 (電流の独占に似ていますが、単一デバイス内) という現象が発生し、多くの半導体接合部の故障の根本的な原因の 1 つとなっています。

バイポーラ トランジスタ(特にゲルマニウムベースのバイポーラ トランジスタ)では、温度が上昇するとリーク電流が大幅に増加します。回路の設計によっては、このリーク電流の増加によってトランジスタを流れる電流が増加し、消費電力も増加し、コレクタからエミッタへのリーク電流がさらに増加し​​ます。これは、クラス AB アンプのプッシュプルステージでよく見られます。プルアップ トランジスタとプルダウン トランジスタが室温でクロスオーバー歪みが最小限になるようにバイアスされており、そのバイアスが温度補償されていない場合、温度が上昇するにつれて両方のトランジスタのバイアスがますますオンになり、電流と電力がさらに増加し​​て、最終的に一方または両方のデバイスが破損します。

熱暴走を避けるための経験則の1つは、BJTの動作点をV _ce ≤ 1/2 V _{ccに保つことです。}

もう 1 つの方法は、ヒートシンクに熱フィードバック センシング トランジスタまたはその他のデバイスを取り付けて、クロスオーバー バイアス電圧を制御することです。出力トランジスタが熱くなると、熱フィードバック トランジスタも熱くなります。これにより、熱フィードバック トランジスタがわずかに低い電圧でオンになり、クロスオーバー バイアス電圧が下がり、出力トランジスタによって放散される熱が減ります。

複数の BJT トランジスタが並列に接続されている場合 (高電流アプリケーションでは一般的)、電流の過剰消費の問題が発生する可能性があります。BJT のこの特性的な脆弱性を制御するには、特別な対策を講じる必要があります。

パワートランジスタ（実質的には多数の小さなトランジスタが並列に接続されている）では、トランジスタ自体のさまざまな部分の間で電流の集中が発生し、トランジスタの一部が他の部分よりも高温になることがあります。これは二次ブレークダウンと呼ばれ、平均接合部温度が安全なレベルにあるように見えても、トランジスタが破壊される可能性があります。

パワーMOSFETは、通常、温度とともにオン抵抗が増加します。状況によっては、この抵抗で消費される電力によって接合部の加熱がさらに進み、正のフィードバックループで接合部温度がさらに上昇します。その結果、パワーMOSFETには安定した動作領域と不安定な動作領域があります。^[5]ただし、温度とともにオン抵抗が増加すると、並列に接続された複数のMOSFET間の電流のバランスが取れるため、電流の過剰消費は発生しません。MOSFETトランジスタがヒートシンクの放散能力を超える熱を発生すると、熱暴走によってトランジスタが破壊される可能性があります。この問題は、トランジスタダイとヒートシンク間の熱抵抗を下げることで、ある程度緩和できます。 「熱設計電力」も参照してください。

金属酸化物バリスタは、通常、加熱すると抵抗が低下します。ACまたはDC電源バスに直接接続すると（電圧スパイクに対する保護の一般的な用途）、トリガー電圧が低下したMOVは壊滅的な熱暴走に陥り、最終的には小規模な爆発や火災につながる可能性があります。^[6] この可能性を防ぐために、故障電流は通常、サーマルヒューズ、回路ブレーカー、またはその他の電流制限デバイスによって制限されます。

タンタルコンデンサは、ある条件下では、熱暴走によって自己破壊する傾向があります。コンデンサは通常、陽極として機能する焼結 タンタルスポンジ、二酸化マンガン陰極、および陽極酸化によってタンタルスポンジ表面に生成された五酸化タンタルの誘電体層で構成されています。タンタル酸化物層に弱い部分があり、電圧スパイク中に絶縁破壊を起こすことがあります。すると、タンタルスポンジが二酸化マンガンと直接接触し、漏れ電流の増加によって局所的な加熱が発生します。通常、これにより吸熱化学反応が促進され、酸化マンガン(III)が生成され、タンタル酸化物誘電体層が 再生(自己修復)されます。

しかし、故障箇所で消費されるエネルギーが十分に高い場合、金属タンタルを燃料とし、二酸化マンガンを酸化剤として、テルミット反応に似た自己持続的な発熱反応が始まる可能性があります。この望ましくない反応によりコンデンサが破壊され、煙や炎が発生する可能性があります。^[7]

したがって、タンタルコンデンサは小信号回路では自由に使用できますが、高出力回路への適用は熱暴走による故障を避けるために慎重に設計する必要があります。

ロジックスイッチングトランジスタのリーク電流は温度とともに増加します。まれに、デジタル回路で熱暴走を引き起こすことがあります。リーク電流は通常、全体の消費電力の小さな部分を占めるため、これはよくある問題ではなく、電力の増加はかなり控えめです。Athlon 64の場合、消費電力は摂氏 30 度ごとに約 10% 増加します。^[8] TDPが 100 W のデバイスの場合、熱暴走が発生するには、ヒートシンクの熱抵抗が3 K/W (ケルビン/ワット) を超えている必要があり、これは標準の Athlon 64 ヒートシンクよりも約 6 倍悪い値です。 (標準の Athlon 64 ヒートシンクの定格は 0.34 K/W ですが、プロセッサとヒートシンク間の熱境界、ケース内の温度上昇、その他の熱抵抗により、環境に対する実際の熱抵抗はいくらか高くなります。^{[引用が必要]} ) いずれにしても、熱抵抗が 0.5 ～ 1 K/W を超える不適切なヒートシンクを使用すると、熱暴走の影響がなくても 100 W デバイスが破壊されることになります。

充電式バッテリーの中には、取り扱いが不適切であったり、製造に欠陥があったりすると、熱暴走を起こして過熱するものがあります。安全ベントが過負荷になったり機能しなくなったりすると、密閉されたセルが激しく爆発することがあります。 ^[9]特に熱暴走を起こしやすいのはリチウムイオンバッテリーで、リチウムポリマーバッテリーが最も顕著です。^[要出典]携帯電話が爆発するという報告が新聞に時々載ります。2006年には、Apple、HP、東芝、Lenovo、Dellなどのノートパソコンメーカーのバッテリーが火災や爆発のためリコールされました。^{[10] [11] [12] [13]}米国運輸省のパイプラインの危険物安全局（PHMSA）は、特定の状況下で不安定になる特定の種類のバッテリーを飛行機で持ち込むことに関する規制を制定しました。この措置は、 FedEx飛行機の貨物室火災に部分的に触発されたものです。^[14] 解決策の一つとしては、より安全で反応性の低い陽極（チタン酸リチウム）と陰極（リン酸鉄リチウム）材料を使用すること（これにより、多くのリチウム二次電池で使用されているコバルト電極を回避）と、イオン液体をベースにした不燃性電解質を使用することである。

暴走熱核反応は、恒星の上層から及ぼされる重力圧が熱圧を大幅に上回る状況で核融合が点火され、重力圧縮による急激な温度上昇が起こると、恒星内で発生する可能性がある。このようなシナリオは、通常の熱圧ではなく電子の縮退圧が重力に逆らって恒星を支える仕事のほとんどを行っている縮退物質を含む恒星や、爆縮が起こっている恒星で発生する可能性がある。いずれの場合も、不均衡は核融合点火前に発生する。そうでなければ、核融合反応は自然に調整され、温度変化を打ち消して恒星を安定させる。熱圧が上層の圧力と平衡状態にある場合、恒星は、新たな発熱反応の開始による温度と熱圧の上昇に膨張と冷却で反応する。暴走反応は、この反応が抑制された場合にのみ起こり得る。

太陽の0.8～2.0倍の質量を持つ恒星が中心核の水素を使い果たして赤色巨星になると、中心核に蓄積されたヘリウムは発火する前に縮退する。縮退した中心核が約0.45倍の臨界質量に達すると、ヘリウムの核融合が点火され、ヘリウムフラッシュと呼ばれる暴走状態で放出され、一時的に恒星のエネルギー生産が通常の1000億倍に増加する。中心核の約6％が急速に炭素に変換される。^[15]この放出は数秒後に中心核を通常のプラズマに戻すのに十分であるが、恒星を混乱させることはなく、 ^{[16] [17]明るさもすぐには変化しない。その後、恒星は収縮し、赤色巨星段階を終えて、}安定したヘリウム燃焼段階へと進化を続ける。

新星は、炭素酸素白色矮星の外層で水素の暴走核融合（ CNOサイクル経由）によって発生する。白色矮星にガスを集積できる伴星がある場合、その物質は矮星の強い重力によって縮退した表層に蓄積される。適切な条件下では、十分に厚い水素層が最終的に2000万Kの温度まで加熱され、暴走核融合が点火される。表層は白色矮星から吹き飛ばされ、光度が5万倍程度増加する。しかし、白色矮星と伴星はそのまま残るため、このプロセスが繰り返される可能性がある。^[18]点火する外層がヘリウムで構成されている場合に、はるかにまれなタイプの新星が発生することがある。 ^[19]

新星に至る過程と同様に、縮退物質は、近くの伴星からガスを集積している中性子星の表面にも蓄積する可能性がある。十分に厚い水素層が蓄積すると、暴走する水素核融合の点火により、 X線バーストが発生する可能性がある。新星と同様に、このようなバーストは繰り返される傾向があり、ヘリウムや炭素の核融合によっても引き起こされる可能性がある。^{[20] [21]}「スーパーバースト」の場合、蓄積された重い原子核が核融合ではなく光解離によって鉄族原子核に暴走分解することが、バーストのエネルギーの大部分を占める可能性があると提案されている。^[21]

Ia型超新星は、炭素酸素白色矮星の中心核で暴走する炭素核融合によって発生する。ほぼ完全に縮退物質で構成されている白色矮星が伴星から質量を獲得できる場合、恒星の質量がチャンドラセカール限界に近づくと、中心核の物質の温度と密度の上昇によって炭素核融合が開始する。これにより爆発が起こり、恒星が完全に破壊される。明るさは50億倍以上に増加する。質量を増やす方法の1つは、伴星である巨星（または主系列星）からガスを吸収することである。^[22]同じタイプの爆発を引き起こす2つ目の、そして明らかにより一般的なメカニズムは、2つの白色矮星の合体である。^{[22] [23]}

対不安定性超新星は、質量が130～250太陽の、低～中程度の金属量の大質量星の中心部で酸素が暴走融合することで発生すると考えられている。^[24]理論によれば、このような星では、大きくて比較的密度の低い非融合酸素の中心部が形成され、その重量は極度の温度によって生成されるガンマ線の圧力によって支えられている。中心部がさらに加熱されると、ガンマ線は最終的に、電子-陽電子の対への衝突誘起崩壊に必要なエネルギー閾値を超え始め、このプロセスは対生成と呼ばれる。これにより中心部内の圧力が低下し、中心部が収縮してさらに加熱され、より多くの対生成、さらなる圧力低下などが発生する。中心部は重力崩壊を起こし始める。ある時点で、これによって酸素の暴走融合が引き起こされ、星を消滅させるのに十分なエネルギーが放出される。これらの爆発はまれで、おそらく10万個の超新星に1個程度である。

すべての超新星が暴走核融合によって引き起こされるわけではない。Ib型、Ic型、II型超新星も中心核の崩壊を起こすが、発熱核融合反応を起こすことができる原子核が枯渇しているため、中性子星、またはより質量の大きい場合には恒星ブラックホールに崩壊し、重力による位置エネルギー（主にニュートリノの放出による）の放出によって爆発を起こす。暴走核融合反応が起こらないため、このような超新星はコンパクトな恒星残骸を残すことができる。

• 連鎖的な失敗
• フランク＝カメネツキー理論
• リチウムイオン電池の安全性
  • ボーイング787ドリームライナーのバッテリー問題
  • UPS フライト 6 (2010 年のジェット機墜落事故。貨物内のリチウムイオン電池が原因)
  • プラグイン電気自動車の火災事故

• Safetycenter.navy.mil:議会図書館のWeb アーカイブにおける熱暴走(2004-02-23 アーカイブ)