一种用于月球氦3的开采设备及开采方法

1.本发明涉及氦3气体净化技术领域，特别涉及一种用于月球氦3的开采设备。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
7.本发明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：
8.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；
9.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；
10.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。
11.在其中一些实施例中，加热脱气的热源来自太阳能。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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：
17.所述超导磁体用于提供可调控的磁场；
18.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；
19.所述热沉用于吸收磁化时释放的高温热量；
20.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；
21.所述冷头用于传递冷量。
22.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。
23.另外，本发明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：
24.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；
25.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；
26.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，本发明实现的技术效果如下：
27.本发明提供的用于月球氦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，本发明提供的用于月球氦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
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明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发明的一些实施例，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。
29.图1为本发明实施例提供的低温冷凝分离单元的结构示意图；
30.图2为本发明实施例提供的超流氦分离单元的结构示意图；
31.图3为本发明实施例提供的用于月球氦3的开采设备的原理示意图；
32.图4为本发明实施例提供的极低温绝热去磁制冷机的结构示意图。
具体实施方式
33.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
36.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
37.本发明一实施方式提供的用于月球氦3的开采设备，包括脱气单元、低温冷凝分离单元110、超流氦分离单元120及储运单元。以下详细说明各个部件之间的连接关系。
38.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110。
39.可以理解，利用月球本身的真空和白天高温环境(月球白天温度约400k)，对开采出的富含氦3的矿石进行加热脱气处理，该加热热源可来自太阳能。
40.请参阅图1，为本发明实施例提供的所述低温冷凝分离单元110的结构示意图，包括冷凝室111、设置于所述冷凝室111两端的进气口112和出气口113、设置于所述冷凝室111侧边的冷头114、穿过所述冷头114并于所述冷凝室111连通的第一毛细管115、设置于所述第一毛细管115上的第一排液泵116。
41.请参阅图2，为本发明实施例提供的所述超流氦分离单元120的结构示意图，包括分离室121、设置于所述分离室121两端的进液口122及出液口123、设置于所述分离室121侧边的绝热去磁制冷机冷头124、与所述绝热去磁制冷机冷头124连接的所述极细毛细孔125及第二毛细管126、设置于所述第二毛细管125上的第二排液泵127。
42.请参阅图3，为本发明实施例提供的用于月球氦3的开采设备的原理示意图，其工作方式如下：
43.首先，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110。
44.可以理解，氦是沸点最低的物质，在100kpa下，氦4的沸点为4.21k(开尔文温度)，氦3为3.19k，而氢气为20k。在月球的真空环境中，氦3以气体的形式吸附在钛矿石中。在开采和富集氦3时，对开采出的富含氦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120。
45.进一步地，利用月球本身的真空和白天高温环境(月球白天温度约400k)，该加热热源可来自太阳能。
46.然后，脱离后的气体经所述进入口112进入所述冷凝室111，使以氢气为主的杂质气体冷凝，并经所述第一毛细管115由所述第一排液泵116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113进入所述进液口122。
47.在其中一些实施例中，所述低温冷凝分离单元110还包括辐射换热器(图未示)，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。
48.可以理解，利用月球夜晚的低温(月球夜晚温度约100k)和宇宙背景温度，通过辐射换热器将混合气体降温，有效利用能源。
49.在其中一些实施例中，所述低温冷凝分离单元110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。
50.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。
51.可以理解，通过辐射换热器制冷和机械制冷机结合，可提供低于33.2k的冷量，对混合气体进行低温冷凝分离。
52.可以理解，通过上述低温冷凝单元110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。
53.再次，所述混合气体由所述进液口122进入所述分离室121，所述混合气体在分离室121预冷至液态形成液态混合物，所述绝热去磁制冷机124将所述液态混合物降温至低于2.1k，再经所述极细毛细孔125及第二毛细管126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123进入所述储运单元保存。
54.在其中一些实施例中，所述超流氦分离单元120还包括机械制冷机(图未示)，所述
机械制冷机将由所述进液口122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124并为所述绝热去磁制冷机124提供预冷。
55.可以理解，由机械制冷机将氦的混合气体预冷至液态(制冷温度约4k)，并为绝热去磁制冷机提供预冷124。通过绝热去磁制冷机将液态混合物降温至低于2.1k，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。
56.可以理解，由于氦4在低于2.1k后出现超流性，可通过极细的小孔，而氦3在2.5mk以上均为正常态，无法通过极细的小孔，因此，本发明设计极细毛细管分离超流态的氦4，可在无重力环境下使氦4分离出去；本发明采用毛细管或其他毛细设备，在无重力环境下，分别将液态杂质和氦气、氦3和氦4进行分离，可以消除对重力的依赖，保障系统可在无重力条件下运行。
57.请参阅图4，为本发明实施例提供的所述绝热去磁制冷机的结构示意图，包括超导磁体131、磁制冷工质132、超导磁体131热开关133、热沉134及冷头135。所述热开关133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：
58.所述超导磁体131用于提供可调控的磁场；所述磁制冷工质132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；所述热沉134用于吸收磁化时释放的高温热量；所述第一热开关在磁化时处于导通状态及去磁时处于切断状态；所述第二热开关在去磁时处于导通状态及在磁化时处于切断状态；所述冷头135用于传递冷量。
59.可以理解，采用绝热去磁制冷机可提供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。
60.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，该温度可由液态氦4减压蒸发提供，或由机械制冷机提供。
61.可以理解，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，该方法可以在较低压力(约100kpa)下储运氦3，避免高压容器带来的安全风险和泄露问题。
62.另外，本发明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：
63.步骤s110：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；
64.步骤s120：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；
65.步骤s130：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。其详细的工作方式可参见上述设备的说明，这里不再赘述。
66.本发明提供的用于月球氦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，本发明提供的用于月球氦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。
67.以上仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。