一种在月球表面提纯氦3的系统和方法与流程

本发明涉及氦3提纯液化技术领域，特别是涉及一种在月球表面提纯氦3的系统和方法。

背景技术：

氦3是一种可供人类长期使用的高效清洁稳定的可控核聚变燃料，在极低温技术等领域均有十分重要的作用。传统的反应堆燃料氚在核聚变中产生具有放射性的高能中子,而氦3在核聚变过程中产生的是无放射性的质子，造成的辐射小,对环境造成的损害也较小。月球具有进行太空探索和挖掘宝贵资源的巨大潜力。特别是月球丰富的氦3资源可提供丰富的非放射性聚变燃料来源，以满足地月能源需求。地球氦3资源稀少，总量约20吨，价格昂贵；而在月球上，由于没有大气与地磁场,太阳风粒子直接照射月球表面而被月壤层捕获,在漫长的月球地质历史过程中使得月壤层积累了丰富的氦3。据估计，月球氦3储量巨大，总量约100万吨，可供人类使用1万年。一直以来，世界各国对于探索月球、发展航空事业的热情只增不减。从1958年苏联发射了首个月球探测器,到2020年嫦娥五号成功钻取2千克月壤并顺利返回地球，人类一步步揭开月球的神秘面纱。随着深空探测、探月工程的发展，未来月球探测将逐步采用国际化合作的方式进行科学探测和资源探查与开发利用，这使得建立长期运行的月球基地，开采月球丰富的氦3资源成为一种可能。

然而，在月球表面开采、提纯、液化、储存、运输氦3面临着很多难题，氦3提纯储存相关实验系统在月球表面搭建需要设备低质量、低能耗、控制系统智能化，因此对制冷系统的选择提出严苛要求。而且，月球特殊的环境对氦3的液化提出更高要求。月球一次自转28天，月昼120℃维持14天，月夜-180℃维持14天。与地球相比，月球具有极为不同的自转周期、高真空、低重力的环境，对可选择的制冷方式提出了更高的要求。目前并没有具体针对月球表面氦3液化提纯的成熟方法提出。

另外，月球表面的混合气体中的氦3含量是氦4含量的万分之一，想要获得一定量的氦3，需要处理大量的氦混合气体，而且目前对分离后的大量氦4也没有很好的回收利用方法，造成资源浪费。虽然在月球表面液化氦气的难度大，但是综合氦3氦4含量比例、地月间运输难度等原因，在氦3资源开采初期，也不考虑将氦3氦4混合气体带回地球处理。

技术实现要素：

基于此，本发明的一目的是，提供一种在月球表面提纯氦3的系统和方法，该系统结构简单、体积小、重量轻、提纯方式简单且能耗小，具有低成本、低能耗的优点，在月球表面提纯氦3有极强的可行性。

本发明在一方面提供了一种在月球表面提纯氦3的系统，包括制冷模块和连接于所述制冷模块的分离装置，所述制冷模块包括用于提供逐级预冷的高温区制冷机和低温区制冷机，所述高温区制冷机具有第一级冷头和第二级冷头，其中所述第一级冷头连接于所述低温区制冷机，用于为所述低温区制冷机提供90k低温，所述第二级冷头连接于所述低温区制冷机，用于为所述低温区制冷机提供12k低温，所述低温区制冷机采用氦3气体作为气体工质，用于提供1.7k低温，所述第一级冷头和所述第二级冷头以及所述低温区制冷机的冷盘依次热连接到氦气混合气体流路，其中氦气混合气体流路中的氦气混合气体流经所述第一级冷头和所述第二级冷头后分离出液氢，分离出液氢后的氦气混合气体流经所述冷盘而冷却液化形成液态氦3和超流氦4的混合液，液态氦3和超流氦4的混合液进入所述分离装置中，所述分离装置利用毛细作用或离心力将液氦3和超流氦4分离。

在本发明的一实施例中，所述高温区制冷机为二级斯特林制冷机、吸附式制冷机、脉管制冷机中的任一种或多种组合。

在本发明的一实施例中，所述低温区制冷机为j-t节流制冷机、绝热去磁制冷机、低温吸附制冷机中的任一种或多种组合。

在本发明的一实施例中，所述制冷模块采用斯特林制冷机和j-t节流制冷机结合制冷，即所述高温区制冷机为二级斯特林制冷机，所述低温区制冷机为j-t节流制冷机，所述j-t节流制冷机包括依次连接的j-t压缩机、第一换热器、第二换热器以及第三换热器，所述第三换热器连接于所述冷盘，其中所述第一级冷头通过第一热沉连接于所述第一换热器和所述第二换热器之间，所述第二级冷头通过第二热沉连接于所述第二换热器和所述第三换热器之间，其中氦3气体在所述j-t压缩机中增压后依次流经所述第一换热器、所述第二换热器以及所述第三换热器中换热，形成液态氦3，液态氦3进入所述冷盘提供1.7k低温后依次返回所述第三换热器、所述第二换热器以及所述第一换热器中换热后重新生成氦3气体，氦3气体进入所述j-t压缩机中再次循环制冷。

在本发明的一实施例中，所述制冷模块还包括设置在所述第三换热器和所述冷盘之间的节流阀，其中液态氦3经所述节流阀节流膨胀降温后进入所述冷盘。

在本发明的一实施例中，所述制冷模块还包括连接于所述第三换热器的进口和所述冷盘的进口的旁通管道和设置在所述旁通管道的旁通阀，所述旁通管道和旁通阀用于平衡压力，起到保护作用。

在本发明的一实施例中，所述分离装置为极细毛细管结构、极细微孔结构或离心分离装置。

在本发明的一实施例中，所述在月球表面提纯氦3的系统还包括用于储存液态氦3的双层低温储罐和用于储存超流氦4的超流氦4储罐，其中所述超流氦4储罐中的超流氦4分两路输出，一路输入所述制冷模块中为所述制冷模块提供预冷，另一路输入所述双层低温储罐的外层储存腔中，为液态氦3提供外层保温。

本发明在另一方面还提供了一种在月球表面提纯氦3的方法，包括步骤：

对月壤进行前期处理，获得氦气混合气体；

采用高温区制冷机的第一级冷头为低温区制冷机提供90k低温，采用所述高温区制冷机的第二级冷头为低温区制冷机提供12k低温；

采用所述低温区制冷机提供1.7k低温；

将氦气混合气体流经所述高温区制冷机的所述第一级冷头和所述第二级冷头，分离出液氢；

将分离出液氢后的氦气混合气体流经所述低温区制冷机的冷盘，得到液态氦3和超流氦4的混合液；

采用分离装置，利用毛细作用或离心力将液态氦3和超流氦4分离，液态氦3输入双层低温储罐中，超流氦4输入超流氦4储罐中；

将超流氦4储罐中的超流氦4分为两路输出，一路输入制冷模块中提供预冷，另一路输入所述双层低温储罐的外层储存腔中，为液态氦3提供外层保温。

在本发明的一实施例中，所述高温区制冷机采用二级斯特林制冷机，所述低温区制冷机采用j-t节流制冷机，所述j-t节流制冷机采用氦3气体作为气体工质，其中氦3气体在所述j-t节流制冷机的j-t压缩机中增压后依次流经所述j-t节流制冷机的第一换热器、第二换热器以及第三换热器中换热，形成液态氦3，液态氦3进入所述冷盘提供1.7k低温，然后依次返回所述第三换热器、所述第二换热器以及所述第一换热器中换热而重新生成氦3气体，氦3气体进入所述j-t压缩机中再次循环制冷。

本发明的所述在月球表面提纯氦3的系统采用制斯特林制冷机、吸附式制冷机、脉管制冷机中的一种或多种结合作为高温区制冷机，和采用j-t节流制冷机、绝热去磁制冷机、极低温吸附制冷机中的一种或多种结合作为低温区制冷机，具有制冷效率高、低温下无运动部件、可靠性高的优点，使得所述在月球表面提纯氦3的系统能够在月球基地长期运行，增强了在月球表面提纯氦3的可行性。

本发明的所述在月球表面提纯氦3的系统利用月球高真空、高洁净的优点，省略了体积和质量较大的真空罩等部件，简化了该系统的整体结构、使得该系统具有体积小、重量轻且成本低的优势。

本发明合理利用月球自转特点，在月昼时储存能量，进行月壤处理获得氦3混合气体；在月夜时进行提纯、液化氦3的步骤，减少了整体系统能量的消耗。

本发明利用超流氦4的超流性，和超流氦4可流经极细毛细管而氦3不能的特点，采用极细毛细管结构或极细微孔结构实现了液态氦3和超流氦4之间的低质量、低能耗分离。

本发明利用月球表面氦3和氦4的比例为1:10000的特点，将分离后的超流氦4一部分为氦3储存提供保温，另一部分为前级制冷系统提供预冷，减少了整个系统的能耗，提高了所述在月球表面提纯氦3的系统在月球基地长期运行的可行性。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

附图说明

图1为本发明的一优选实施例的所述在月球表面提纯氦3的系统的结构示意图；

图2为图1所示的所述在月球表面提纯氦3的系统的部分结构示意图；

图3为图1所示的所述在月球表面提纯氦3的系统的分离装置的结构示意图；

图4为图1所示的所述在月球表面提纯氦3的系统的提纯氦3的流程示意图。

附图标号说明：制冷模块10；低温区制冷机11；j-t压缩机110；第一换热器111；第二换热器112；第三换热器113；第一热沉114；第二热沉115；冷盘116；节流阀117；旁通管道118；旁通阀119；高温区制冷机20；第一级冷头21；第二级冷头22；分离装置30；双层低温储罐40；超流氦4储罐50，图中箭头方向为气体或液体的流动方向。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明利用月球环境，基于低温气体液化储存的经验，提供了一种在月球表面提纯氦3的系统和方法，填补了月球氦3提纯存储的空白。所述在月球表面提纯氦3的系统结构简单、体积小、重量轻、提纯方式简单且能耗小，具有低成本、低能耗的优点，在月球表面提纯氦3有极强的可行性。

月壤经采矿等前期处理后，仅剩含氢、氦的混合气体。本发明通过低温制冷手段，在月球表面实现混合气体中氢和氦的分离，并进一步进行了氦3氦4的同位素分离，最终获得高纯氦3。同时还对分离出来的超流氦4进行合理回收利用，一部分用于前级制冷模块的预冷，另一部分用于液态氦3储存的保温。

具体地，如图1至图3所示，根据本发明的一优选实施例的所述在月球表面提纯氦3的系统的结构被具体阐明。

如图1所示，所述在月球表面提纯氦3的系统包括制冷模块10和连接于所述制冷模块10的分离装置30，所述制冷模块10包括用于提供逐级预冷的高温区制冷机20和低温区制冷机11，所述高温区制冷机20具有第一级冷头21和第二级冷头22，其中所述第一级冷头21连接于所述低温区制冷机11，用于为所述低温区制冷机11提供90k低温，所述第二级冷头22连接于所述低温区制冷机11，用于为所述低温区制冷机11提供12k低温，所述低温制冷机11采用氦3气体作为气体工质，用于提供1.7k低温，所述第一级冷头21和所述第二级冷头22以及所述低温区制冷机11的冷盘116依次热连接到氦气混合气体流路，其中氦气混合气体流路中的氦气混合气体流经所述第一级冷头21和所述第二级冷头22后分离出液氢，分离出液氢后的氦气混合气体流经所述冷盘116而冷却液化形成液态氦3和超流氦4的混合液，液态氦3和超流氦4的混合液进入所述分离装置30中，所述分离装置30利用毛细作用或离心力将液氦3和超流氦4分离。

在本发明的这一实施例中，所述低温区制冷机11采用j-t节流制冷机，相对应地，所述冷盘116为j-t冷盘，所述j-t节流制冷机包括依次连接的j-t压缩机110、第一换热器111、第二换热器112以及第三换热器113，所述第三换热器113连接于所述冷盘116，其中所述第一级冷头21通过第一热沉114连接于所述第一换热器111和所述第二换热器112之间，所述第二级冷头22通过第二热沉115连接于所述第二换热器112和所述第三换热器113之间，其中氦3气体在所述j-t压缩机110中增压后依次流经所述第一换热器111、所述第二换热器112以及所述第三换热器113中换热，形成液态氦3，液态氦3进入所述冷盘116提供1.7k低温后依次返回所述第三换热器113、所述第二换热器112以及所述第一换热器111中换热后重新生成氦3气体，氦3气体进入所述j-t压缩机110中再次循环制冷。

可以理解的是，采用线性压缩机驱动的j-t节流制冷技术，该技术具有效率高、低温下无运动部件、可靠性高等特点，是当前空间液氦温区机械式制冷技术的主流。选用在1.7k下饱和压力更高的氦3气体作为气体工质，采用由j-t压缩机110实现的多级压缩，结合所述第一换热器111、所述第二换热器112以及所述第三换热器113构成的多级换热器结构，可实现在1.7k提供约10mw级别的制冷量，其中流经1.7kj-t冷盘的氦气混合气体，氦4因为低于其超流转变温度2.17k而转变为超流状态，氦3则维持正常的液态，即在分离出液氢后的氦气混合气体实际为氦3和氦4混合气体，在1.7k低温下，氦4气体转变为超流氦4，氦3液化形成液态氦3。

进一步地，在本发明的这一实施例中，所述高温区制冷机20优选为二级斯特林制冷机。以此本发明通过采用斯特林制冷技术与j-t节流制冷技术结合的方法，实现了氢气的冷凝分离，也为氦的同位素分离提供了所需的低温环境。

可以理解的是，利用月球表面高真空、高洁净的特点，可省略20kg真空罩设备，减轻整个系统的体积和重量，在减少成本的同时也增强了在月球表面实现提纯氦3的可行性。采用发展相对成熟的二级斯特林制冷机为所述j-t节流制冷机提供逐级预冷，更能保证在月球表面的可实施性。所述二级斯特林制冷机可在90k的所述第一级冷头21和12k的所述第二级冷头22分别提供1w和0.2w左右的制冷量。采用所述二级斯特林制冷机可以将氦混合气体内的氢气液化分离。

值得一提的是，在本发明的一些实施例中，在本发明的一些实施例中，可以采用吸附式制冷机或脉管制冷机为所述制冷模块10提供预冷，或者也可以采用所述二级斯特林制冷机与吸附式制冷机或脉管制冷机相结合的方式为所述制冷模块10提供预冷，本发明对此不作限制。

此外，还值得一提的是，也可以采用机械制冷与极低温制冷相结合的方式作为制冷系统，即采用斯特林制冷机、吸附式制冷机、脉管制冷机与j-t节流制冷机、绝热去磁制冷机、极低温吸附制冷机中的任一种或多种组合的方式实现制冷，其中极低温吸附制冷机具有不依赖重力、质量较轻的特点，适合在月球表面上使用，而且极低温制冷可以提供1k以下的稳定低温，能够满足氦3氦4分离的基本条件。

进一步地，所述制冷模块10还包括设置在所述第三换热器113和所述冷盘116之间的节流阀117，其中液态氦3经所述节流阀117节流膨胀降温后进入所述冷盘116。

值得一提的是，所述制冷模块10还包括连接于所述第三换热器113的进口和所述冷盘116的进口的旁通管道118和设置在所述旁通管道118的旁通阀119，所述旁通管道118和所述旁通阀119用于确保所述制冷模块10的压力平衡，起到保护作用。

如图2所示，所述在月球表面提纯氦3的系统还包括用于储存液态氦3的双层低温储罐40和用于储存超流氦4的超流氦4储罐50，其中所述超流氦4储罐50中的超流氦4分两路输出，一路输入所述制冷模块10中为所述制冷模块10提供预冷，另一路输入所述双层低温储罐40的外层储存腔中，为液态氦3提供外层保温。

值得一提的是，超流氦4可以输入所述制冷模块10的所述高温区制冷机20中提供预冷，也可以输入所述制冷模块10的所述低温区制冷机11中提供预冷，本发明对此不作限制，优选地，在这一实施例中，超流氦4输入所述高温区制冷机20中提供预冷。

可以理解的是，在月球表面的混合气体内，氦4的含量远大于氦3，两者含量比例是1:10000。为了尽可能的减少月球表面的能量消耗，本发明合理利用氦4含量远大于氦3的特点，提出了一种合理利用分离后的超流氦4的方法，将一部分超流氦4用于为氦3储存提供保温，另一部分为前级制冷系统提供预冷。这大大减少了氦3提纯设备的能耗，为月球表面实现氦的同位素分离提供了更大的可行性。

氦4在超流状态具有超流动性、无粘性的特点，利用这一特点，本发明还提供了一种氦的同位素分离方法，将分离出液氢的氦混合气体流经极细毛细管，超流氦4通过毛细管流入超流氦4储罐50中，剩余的液态氦3流入低蒸发的双层低温储罐40中。该方法具有低质量、低成本、低能耗的优点，在月球表面有极强的可行性。本发明也可借助离心力将液态氦3和超流氦4分离。

也就是说，所述分离装置30可以为极细毛细管结构、极细微孔结构或离心分离装置30。

优选地，在本发明的这一实施例中，所述分离装置30采用极细毛细管结构或极细微孔结构进行液态氦3和超流氦4的分离，所述分离装置30的具体结构如图3所示。

可以理解的是，所述在月球表面提纯氦3的系统提纯氦3的具体流程为：首先，对月壤进行前期处理，获得仅剩含氢和氦的混合气体，即氦混合气体。其次，通过斯特林制冷技术与j-t节流制冷技术结合的方法，既可以实现氢气的冷凝分离，也为氦的同位素分离提供所需的低温环境。最后，利用极细毛细管的毛细作用或离心力，能够在无重力环境下实现液态氦3和超流氦4的分离，并将液态氦3储存在零蒸发的双层低温储罐40中，将超流氦4储存在超流氦储罐中，分两部分进行利用，一部分超流氦4输入双层低温储罐40的外侧储存腔中为液态氦3的储存提供保温，另一部分超流氦4输入前级预冷模块中为预冷模块提供预冷。当需要将液态氦3运回地球时，分别将一定量的液态氦3和超流氦4充注到双层低温储罐40中，将双层低温储罐40通过上升期运到返回腔内，最终运回地球。

如图4所示，本发明在另一方面还提供了一种在月球表面提纯氦3的方法，包括步骤：

对月壤进行前期处理，获得氦气混合气体；

采用高温区制冷机20的第一级冷头21为低温区制冷机11提供90k低温，采用高温区制冷机20的第二级冷头22为低温区制冷机11提供12k低温；

采用低温区制冷机11提供1.7k低温；

将氦气混合气体流经所述高温区制冷机20的所述第一级冷头21和所述第二级冷头22，分离出液氢；

将分离出液氢后的氦气混合气体流经所述低温区制冷机11的冷盘116，得到液态氦3和超流氦4的混合液；

采用分离装置30，利用毛细作用或离心力将液态氦3和超流氦4分离，液态氦3输入双层低温储罐40中，超流氦4输入超流氦4储罐50中；

将超流氦4储罐50中的超流氦4分为两路输出，一路输入制冷模块10中为所述制冷模块10提供预冷，另一路输入所述双层低温储罐40的外层储存腔中，为液态氦3提供外层保温。

特别地，本发明合理利用月球自转特点，在月昼时储存能量，进行月壤处理获得氦3混合气体；在月夜时进行提纯、液化氦3的步骤，减少了整体系统能量的消耗。

进一步地，所述高温区制冷机20采用二级斯特林制冷机，所述低温区制冷机11采用j-t节流制冷机，所述j-t节流制冷机采用氦3气体作为气体工质，其中氦3气体在所述j-t节流制冷机的j-t压缩机110中增压后依次流经所述j-t节流制冷机的第一换热器111、第二换热器112以及第三换热器113中换热，形成液态氦3，液态氦3进入所述冷盘116提供1.7k低温，然后依次返回所述第三换热器113、所述第二换热器112以及所述第一换热器111中换热而重新生成氦3气体，氦3气体进入所述j-t压缩机110中再次循环制冷。

总的来讲，本发明提供了一种结构简单、体积小、重量轻、提纯方式简单且能耗小的在月球表面提纯氦3的系统和方法，具有低成本、低能耗的优点，在月球表面提纯氦3有极强的可行性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。