一种用于月球氦3的开采设备及开采方法技术

本发明专利技术提供的用于月球氦3的开采设备及方法，脱气单元对月球中开采出的富含氦3的矿石进行加热脱气处理，脱离后的气体进入低温冷凝分离单元；脱离后的气体经所述进入口进入冷凝室，使以氢气为主的杂质气体冷凝，并经第一毛细管由第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合气体，混合气体由所述出气口进入进液口；混合气体由进液口进入分离室，混合气体在分离室预冷至液态形成液态混合物，绝热去磁制冷机将液态混合物降温至低于2.1K，再经第二毛细管由排液泵将超流态的氦4排出，得到纯度较高的液态氦3，所述液态氦3由所述出液口进入所述储运单元保存，上述开采设备及方法可对月球氦3进行开采设备，以满足工业对氦3的需求。以满足工业对氦3的需求。以满足工业对氦3的需求。

【技术实现步骤摘要】
一种用于月球氦3的开采设备及开采方法


[0001]本专利技术涉及氦3气体净化
，特别涉及一种用于月球氦3的开采设备。

技术介绍

[0002]氦3是自然界中氦的两种稳定性同位素之一，存量极少，地球上氦3的丰度仅为0.000137％。氦3的用途主要包括清洁的核聚变原料、极低温制冷工质或传热介质、粒子探测等领域。目前所用的氦3主要来源于核工业中氚的衰变，产量极其有限，远不能满足需求。
[0003]月球上含有丰富的氦3资源，其储量估算为100万吨，可供全人类在目前用能水平下使用1万年。因此，高效紧凑、便捷、低成本，且可在月球环境下运行的氦3提纯和储运设备，是开发月球资源、保障地球可持续发展的关键。
[0004]目前在地面所使用的氦3提纯方法，由于所含杂质主要为氧、氮、水和氢，常采用吸附床(CN106800281B、CN106629640B)进行分离，即依次通过一系列吸附床，对杂质气体进行吸附。该方法需要较多的吸附剂材料，且吸附剂需要更换或再生。将这些吸附剂运输到月球需要极大的成本，可行性几乎为零。

技术实现思路

[0005]鉴于此，有必要提供一种可对月球氦3进行开采设备，以满足工业对氦3的需求。
[0006]为解决上述问题，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]本专利技术提供了一种用于月球氦3的开采设备，包括脱气单元、低温冷凝分离单元、超流氦分离单元及储运单元；所述低温冷凝分离单元包括冷凝室、设置于所述冷凝室两端的进气口和出气口、设置于所述冷凝室侧边的冷头、穿过所述冷头并于所述冷凝室连通的第一毛细管、设置于所述毛细管上的第一排液泵；所述超流氦分离单元包括分离室、设置于所述分离室两端的进液口及出液口、设置于所述分离室侧边的绝热去磁制冷机冷头、与所述绝热去磁制冷机冷头连接的极细毛细孔、与所述极细毛细孔连接的第二毛细管、设置于所述第二毛细管上的第二排液泵；其中：
[0008]所述脱气单元对月球中开采出的富含氦3的矿石进行加热脱气处理，脱离后的气体进入所述低温冷凝分离单元；
[0009]脱离后的气体经所述进入口进入所述冷凝室，使以氢气为主的杂质气体冷凝，并经所述第一毛细管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合气体，所述混合气体由所述出气口进入所述进液口；
[0010]所述混合气体由所述进液口进入所述分离室，所述混合气体在分离室预冷至液态形成液态混合物，所述绝热去磁制冷机将所述液态混合物降温至低于2.1K，再经所述极细毛细孔及第二毛细管由所述排液泵将超流态的氦4排出，得到纯度较高的液态氦3，所述液态氦3由所述出液口进入所述储运单元保存。
[0011]在其中一些实施例中，加热脱气的热源来自太阳能。
[0012]在其中一些实施例中，所述低温冷凝分离单元还包括辐射换热器，脱离后的气体
经所述辐射换热器将温后再经所述进入口进入所述冷凝室。
[0013]在其中一些实施例中，所述低温冷凝分离单元还包括机械制冷机，所述机械制冷机设置于所述冷凝室内，所述机械制冷机可对内部的气体降温，使以氢气为主的杂质气体冷凝。
[0014]在其中一些实施例中，所述机械制冷机为斯特林制冷机或脉管制冷机或节流制冷机。
[0015]在其中一些实施例中，所述超流氦分离单元还包括机械制冷机，所述机械制冷机将由所述进液口进入的所述混合气体预冷至液态，所述机械制冷机还连接所述绝热去磁制冷机并为所述绝热去磁制冷机提供预冷。
[0016]在其中一些实施例中，所述绝热去磁制冷机包括超导磁体、磁制冷工质、热开关、热沉及冷头，所述热开关包括位于所述磁制冷工质与所述热沉间的第一热开关及位于所述磁制冷工质与所述冷头间的第二热开关；其中：
[0017]所述超导磁体用于提供可调控的磁场；
[0018]所述磁制冷工质是系统的冷量来源，当对其施加磁场时，向外界放热；撤去磁场时，从外界吸热，进而降温制冷；
[0019]所述热沉用于吸收磁化时释放的高温热量；
[0020]所述第一热开关在磁化时导通及去磁时切断；所述第二热开关在去磁时导通、磁化时切断；
[0021]所述冷头用于传递冷量。
[0022]在其中一些实施例中，所述储运单元可将所述液态氦3保持在3.32K以下，以使其始终处于液态。
[0023]另外，本专利技术还提供了一种所述的用于月球氦3的开采设备的开采方法，包括下述步骤：
[0024]所述脱气单元对月球中开采出的富含氦3的矿石进行加热脱气处理，脱离后的气体进入所述低温冷凝分离单元；
[0025]脱离后的气体经所述进入口进入所述冷凝室，使以氢气为主的杂质气体冷凝，并经所述第一毛细管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合气体，所述混合气体由所述出气口进入所述进液口；
[0026]所述混合气体由所述进液口进入所述分离室，所述混合气体在分离室预冷至液态形成液态混合物，所述绝热去磁制冷机将所述液态混合物降温至低于2.1K，再经所述极细毛细孔及所述第二毛细管由所述排液泵将超流态的氦4排出，得到纯度较高的液态氦3，所述液态氦3由所述出液口进入所述储运单元保存。采用上述技术方案，本专利技术实现的技术效果如下：
[0027]本专利技术提供的用于月球氦3的开采设备及方法，所述脱气单元对月球中开采出的富含氦3的矿石进行加热脱气处理，脱离后的气体进入所述低温冷凝分离单元；脱离后的气体经所述进入口进入所述冷凝室，使以氢气为主的杂质气体冷凝，并经所述第一毛细管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合气体，所述混合气体由所述出气口进入所述进液口；所述混合气体由所述进液口进入所述分离室，所述混合气体在分离室预冷至液态形成液态混合物，所述绝热去磁制冷机将所述液态混合物降温至低于2.1K，再经所述第二
毛细管由所述排液泵将超流态的氦4排出，得到纯度较高的液态氦3，所述液态氦3由所述出液口进入所述储运单元保存，本专利技术提供的用于月球氦3的开采设备，通过低温冷凝分离单元分离氦气和其他杂质，可以避免使用大量的吸附剂，从而极大降低在月球提纯氦的成本；以毛细管分别分离氦气和液态杂质、氦3和氦4，可以消除对重力的依赖，保障系统可在无重力条件下运行；采用绝热去磁制冷机提供2.1K以下温度，与其他该温区制冷方式(稀释制冷、吸附制冷、J
‑
T节流)相比，具有紧凑高效、不依赖重力运行的优点；采用低温、常压储运液态氦3的方式，与气态或高压液态的储运方式相比，具有体积小、安全性高、不易漏气的优点。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为本专利技术实施例提供的低温冷凝分离单元的结构示意图；
[0030]图2为本专利技术实施例提供的超流氦分离单元的结构示意图；
[0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于月球氦3的开采设备，其特征在于，包括脱气单元、低温冷凝分离单元、超流氦分离单元及储运单元；所述低温冷凝分离单元包括冷凝室、设置于所述冷凝室两端的进气口和出气口、设置于所述冷凝室侧边的冷头、穿过所述冷头并于所述冷凝室连通的第一毛细管、设置于所述第一毛细管上的第一排液泵；所述超流氦分离单元包括分离室、设置于所述分离室两端的进液口及出液口、设置于所述分离室侧边的绝热去磁制冷机冷头、与所述绝热去磁制冷机冷头连接的极细毛细孔、与所述极细毛细孔连接的第二毛细管、设置于所述第二毛细管上的第二排液泵；其中：所述脱气单元对月球中开采出的富含氦3的矿石进行加热脱气处理，脱离后的气体进入所述低温冷凝分离单元；脱离后的气体经所述进入口进入所述冷凝室，使以氢气为主的杂质气体冷凝，并经所述第一毛细管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合气体，所述混合气体由所述出气口进入所述进液口；所述混合气体由所述进液口进入所述分离室，所述混合气体在分离室预冷至液态形成液态混合物，所述绝热去磁制冷机将所述液态混合物降温至低于2.1K，再经所述极细毛细孔及所述第二毛细管由所述排液泵将超流态的氦4排出，得到纯度较高的液态氦3，所述液态氦3由所述出液口进入所述储运单元保存。2.如权利要求1所述的用于月球氦3的开采设备，其特征在于，加热脱气的热源来自太阳能。3.如权利要求1所述的用于月球氦3的开采设备，其特征在于，所述低温冷凝分离单元还包括辐射换热器，脱离后的气体经所述辐射换热器将温后再经所述进入口进入所述冷凝室。4.如权利要求3所述的用于月球氦3的开采设备，其特征在于，所述低温冷凝分离单元还包括机械制冷机，所述机械制冷机设置于所述冷凝室内，所述机械制冷机可对内部的气体降温，使以氢气为主的杂质气体冷凝。5.如权利要求4所述的用于月球氦3的开采设备，其特征在于，所述机械制冷机为斯特林制冷机或...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈俊，王昌，戴巍，李珂，禹芳秋，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：