[發(fā)明專利]一種用于月球氦3的開采設(shè)備及開采方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011622727.5
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號(hào): CN114684799B
• 公開（公告）日: 2023-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈俊;王昌;戴巍;李珂;禹芳秋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): C01B23/00
• 分類號(hào): C01B23/00;F25J3/06;F25J5/00
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛(wèi)良

本發(fā)明提供的用于月球氦3的開采設(shè)備及方法，脫氣單元對月球中開采出的富含氦3的礦石進(jìn)行加熱脫氣處理，脫離后的氣體進(jìn)入低溫冷凝分離單元；脫離后的氣體經(jīng)所述進(jìn)入口進(jìn)入冷凝室，使以氫氣為主的雜質(zhì)氣體冷凝，并經(jīng)第一毛細(xì)管由第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合氣體，混合氣體由所述出氣口進(jìn)入進(jìn)液口；混合氣體由進(jìn)液口進(jìn)入分離室，混合氣體在分離室預(yù)冷至液態(tài)形成液態(tài)混合物，絕熱去磁制冷機(jī)將液態(tài)混合物降溫至低于2.1K，再經(jīng)第二毛細(xì)管由排液泵將超流態(tài)的氦4排出，得到純度較高的液態(tài)氦3，所述液態(tài)氦3由所述出液口進(jìn)入所述儲(chǔ)運(yùn)單元保存，上述開采設(shè)備及方法可對月球氦3進(jìn)行開采設(shè)備，以滿足工業(yè)對氦3的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氦3氣體凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于月球氦3的開采設(shè)備。

背景技術(shù)

氦3是自然界中氦的兩種穩(wěn)定性同位素之一，存量極少，地球上氦3的豐度僅為0.000137％。氦3的用途主要包括清潔的核聚變原料、極低溫制冷工質(zhì)或傳熱介質(zhì)、粒子探測等領(lǐng)域。目前所用的氦3主要來源于核工業(yè)中氚的衰變，產(chǎn)量極其有限，遠(yuǎn)不能滿足需求。

月球上含有豐富的氦3資源，其儲(chǔ)量估算為100萬噸，可供全人類在目前用能水平下使用1萬年。因此，高效緊湊、便捷、低成本，且可在月球環(huán)境下運(yùn)行的氦3提純和儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備，是開發(fā)月球資源、保障地球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

目前在地面所使用的氦3提純方法，由于所含雜質(zhì)主要為氧、氮、水和氫，常采用吸附床(CN106800281B、CN106629640B)進(jìn)行分離，即依次通過一系列吸附床，對雜質(zhì)氣體進(jìn)行吸附。該方法需要較多的吸附劑材料，且吸附劑需要更換或再生。將這些吸附劑運(yùn)輸?shù)皆虑蛐枰獦O大的成本，可行性幾乎為零。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于此，有必要提供一種可對月球氦3進(jìn)行開采設(shè)備，以滿足工業(yè)對氦3的需求。

為解決上述問題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種用于月球氦3的開采設(shè)備，包括脫氣單元、低溫冷凝分離單元、超流氦分離單元及儲(chǔ)運(yùn)單元；所述低溫冷凝分離單元包括冷凝室、設(shè)置于所述冷凝室兩端的進(jìn)氣口和出氣口、設(shè)置于所述冷凝室側(cè)邊的冷頭、穿過所述冷頭并于所述冷凝室連通的第一毛細(xì)管、設(shè)置于所述毛細(xì)管上的第一排液泵；所述超流氦分離單元包括分離室、設(shè)置于所述分離室兩端的進(jìn)液口及出液口、設(shè)置于所述分離室側(cè)邊的絕熱去磁制冷機(jī)冷頭、與所述絕熱去磁制冷機(jī)冷頭連接的極細(xì)毛細(xì)孔、與所述極細(xì)毛細(xì)孔連接的第二毛細(xì)管、設(shè)置于所述第二毛細(xì)管上的第二排液泵；其中：

所述脫氣單元對月球中開采出的富含氦3的礦石進(jìn)行加熱脫氣處理，脫離后的氣體進(jìn)入所述低溫冷凝分離單元；

脫離后的氣體經(jīng)所述進(jìn)入口進(jìn)入所述冷凝室，使以氫氣為主的雜質(zhì)氣體冷凝，并經(jīng)所述第一毛細(xì)管由所述第一排液泵排出，得到的氦3和氦4的混合氣體，所述混合氣體由所述出氣口進(jìn)入所述進(jìn)液口；

所述混合氣體由所述進(jìn)液口進(jìn)入所述分離室，所述混合氣體在分離室預(yù)冷至液態(tài)形成液態(tài)混合物，所述絕熱去磁制冷機(jī)將所述液態(tài)混合物降溫至低于2.1K，再經(jīng)所述極細(xì)毛細(xì)孔及第二毛細(xì)管由所述排液泵將超流態(tài)的氦4排出，得到純度較高的液態(tài)氦3，所述液態(tài)氦3由所述出液口進(jìn)入所述儲(chǔ)運(yùn)單元保存。

在其中一些實(shí)施例中，加熱脫氣的熱源來自太陽能。

在其中一些實(shí)施例中，所述低溫冷凝分離單元還包括輻射換熱器，脫離后的氣體經(jīng)所述輻射換熱器降溫后再經(jīng)所述進(jìn)入口進(jìn)入所述冷凝室。

在其中一些實(shí)施例中，所述低溫冷凝分離單元還包括機(jī)械制冷機(jī)，所述機(jī)械制冷機(jī)設(shè)置于所述冷凝室內(nèi)，所述機(jī)械制冷機(jī)可對內(nèi)部的氣體降溫，使以氫氣為主的雜質(zhì)氣體冷凝。

在其中一些實(shí)施例中，所述機(jī)械制冷機(jī)為斯特林制冷機(jī)或脈管制冷機(jī)或節(jié)流制冷機(jī)。