[发明专利]一种在月球表面提纯氦3的系统和方法

说明书

本发明涉及一种在月球表面提纯氦3的系统和方法，该系统利用低温制冷手段，通过采用二级斯特林制冷机和J‑T节流制冷机结合的方式，既可以实现对经月壤前期处理后所获得氦混合气体进行氢的液化分离，也为氦的同位素分离提供所需的低温环境，利用超流氦4粘度为零的超流特性，利用毛细作用或离心力将超流氦4和液态氦3分离，实现了液态氦3的提纯，并对分离出的超流氦4进行合理利用，将一部分超流氦4用于为液态氦3储存提供保温，将另一部分超流氦4用于为前级制冷系统提供预冷。

技术领域

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。

发明内容

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。