CN114486434A - 一种提取月球氦-3资源的地面试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提取月球氦‑3资源的地面试验装置，包括磨蚀坩埚、磨蚀杵和调节组件，磨蚀坩埚能够容纳待处理样品，磨蚀杵能够伸入磨蚀坩埚内，驱动器带动磨蚀杵转动，磨蚀杵能够与磨蚀坩埚内的待处理样品进行摩擦，使待处理样品磨蚀，氦气释放后由导出管输出；调节组件能够改变磨蚀杵伸入磨蚀坩埚内的深度，以调节磨蚀杵对待处理样品的摩擦力度，同时还能够适应不同待处理样品的厚度。本发明还提供一种提取月球氦‑3资源的地面试验方法，对月壤或模拟月壤的待处理样品进行摩擦，使月壤或模拟月壤的待处理样品表层磨蚀，以提取氦‑3资源。利用摩擦对待处理样品进行磨蚀，无需高温加热或彻底粉磨破碎即可完成氦资源提取，有效减少了能耗。

Description

一种提取月球氦-3资源的地面试验装置及方法
技术领域
本发明涉及月球资源开发技术领域，特别是涉及一种提取月球氦-3资源的地面试验装置及方法。
背景技术
由于没有大气层和稳定磁场的保护，太阳风和宇宙射线不断与月表物质相互作用，造成了3He主要富集在成熟的月壤中。月球氦-3资源是3He核聚变最有前景的原料来源。3He聚变反应堆具有能量输出高、中子排放低、能量转换效率高、安全性高和潜在的易于维护等优点。月球氦-3资源在未来无论是运回地球解决人类能源危机，或是进行资源原位利用保障月球基地的建设和运转，甚至可作为未来人类探索其他星球的能源补给。
大部分注入的太阳风挥发分富集在风化层矿物粒间孔隙或小于100nm的矿物边界中，因此，太阳风注入的挥发分资源极易提取，温度达到700℃就足以释放大部分保存的He。国内外常见的提取方式是通过高温加热炉、直接聚焦太阳光或微波加热月壤来实现。需要注意的是，这些高温加热提取是相当耗能的，所带来的功耗问题在地面试验无需考虑功耗，但对月球氦-3资源的开发利用却是难以承担的重负，这种高温加热提取的方式难以大规模应用推广至月球。显然，低能耗提取技术是月球氦-3资源利用必须要突破的关键技术。
除了上述高温加热提取外，在地面实验室常用的气体提取技术还有单次静压真空压碎和电磁锤破碎两种方式。因此，以上所有的提取方式都造成了多余的机械做工或热损失。
因此，如何改变现有技术中，提取月球氦-3资源能耗较高的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提取月球氦-3资源的地面试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低提取月球氦-3资源的能耗，提高提取月球氦-3资源方法的适应性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种提取月球氦-3资源的地面试验装置，包括：
磨蚀坩埚，所述磨蚀坩埚能够容纳待处理样品，所述磨蚀坩埚连接有导出管，所述导出管与所述磨蚀坩埚的内腔相连通；
磨蚀杵，所述磨蚀杵能够伸入所述磨蚀坩埚内并与所述待处理样品抵接，所述磨蚀杵连接有驱动器，所述驱动器能够带动所述磨蚀杵转动；
调节组件，所述调节组件与所述磨蚀坩埚相连，所述调节组件能够改变所述磨蚀杵伸入所述磨蚀坩埚内的深度。
优选地，所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置还包括相连的底座和顶盖，所述底座和所述顶盖之间具有真空腔室，所述真空腔室能够实现真空环境，所述磨蚀坩埚和所述磨蚀杵位于所述真空腔室内，所述驱动器穿过所述顶盖与所述磨蚀杵相连，所述驱动器与所述磨蚀杵之间设置有磁流体。
优选地，所述底座具有导出通道，所述导出通道与所述磨蚀坩埚的内腔相连通，所述导出通道与所述导出管相连通。
优选地，所述调节组件包括顶砧，所述顶砧可滑动地与所述底座相连，所述顶砧与所述磨蚀坩埚相抵，所述顶砧位于所述磨蚀坩埚远离所述磨蚀杵的一侧。
优选地，所述调节组件还包括调节座，所述调节座与所述底座相连，所述顶砧可滑动地穿过所述调节座伸入所述底座内，所述顶砧与所述调节座之间设置真空弹簧波纹管。
优选地，所述顶盖与所述底座之间、所述导出通道与所述导出管之间以及所述底座与所述调节座之间均分别设置无氧铜垫圈。
优选地，所述调节组件还包括固定板和调节螺栓，所述固定板与所述底座相连，所述调节螺栓可转动地与所述固定板相连，所述调节螺栓与所述顶砧螺纹连接。
优选地，所述驱动器连接有支座，所述支座设置于所述底座的顶部，所述支座利用支杆与所述底座相连，所述驱动器与所述磁流体之间以及所述磁流体与所述磨蚀杵之间均设置有联轴器；所述底座连接有支腿，所述调节组件设置于所述底座的底部。
优选地，所述导出管为U形管。
本发明还提供一种提取月球氦-3资源的地面试验方法，对月壤或模拟月壤的待处理样品进行摩擦，使月壤或模拟月壤的待处理样品表层磨蚀，以提取氦-3资源。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置，包括磨蚀坩埚、磨蚀杵和调节组件，其中，磨蚀坩埚能够容纳待处理样品，磨蚀坩埚连接有导出管，导出管与磨蚀坩埚的内腔相连通；磨蚀杵能够伸入磨蚀坩埚内并与待处理样品抵接，磨蚀杵连接有驱动器，驱动器能够带动磨蚀杵转动；调节组件与磨蚀坩埚相连，调节组件能够改变磨蚀杵伸入磨蚀坩埚内的深度。
本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置，磨蚀坩埚能够容纳待处理样品，磨蚀杵能够伸入磨蚀坩埚内，驱动器带动磨蚀杵转动，磨蚀杵能够与磨蚀坩埚内的待处理样品进行摩擦，使待处理样品磨蚀，氦气释放后由导出管输出；调节组件能够改变磨蚀杵伸入磨蚀坩埚内的深度，以调节磨蚀杵对待处理样品的摩擦力度，同时还能够适应不同待处理样品的厚度。本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置，利用磨蚀杵对磨蚀坩埚内的待处理样品进行磨蚀，无需高温加热或彻底粉磨破碎即可完成氦资源提取，相较于现有技术中提取装置，有效减少了能耗，节约资源，提高了装置的适应性。
本发明还提供一种提取月球氦-3资源的地面试验方法，对月壤或模拟月壤的待处理样品进行摩擦，使月壤或模拟月壤的待处理样品表层磨蚀，以提取氦-3资源。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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。
图1为本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置的结构示意图；
图2为本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置的剖切结构示意图；
其中，1为磨蚀坩埚，2为磨蚀杵，3为调节组件，301为顶砧，302为调节座，303为真空弹簧波纹管，304为固定板，305为调节螺栓，306为固定柱，4为底座，401为导出通道，5为顶盖，6为真空腔室，7为磁流体，8为导出管，9为无氧铜垫圈，10为支座，11为支杆，12为支腿，13为驱动器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种提取月球氦-3资源的地面试验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，降低提取月球氦-3资源的能耗，提高提取月球氦-3资源方法的适应性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
请参考图1-2，其中，图1为本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置的结构示意图，图2为本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置的剖切结构示意图。
本发明提供一种提取月球氦-3资源的地面试验装置，包括磨蚀坩埚1、磨蚀杵2和调节组件3，其中，磨蚀坩埚1能够容纳待处理样品，磨蚀坩埚1连接有导出管8，导出管8与磨蚀坩埚1的内腔相连通；磨蚀杵2能够伸入磨蚀坩埚1内并与待处理样品抵接，磨蚀杵2连接有驱动器13，驱动器13能够带动磨蚀杵2转动；调节组件3与磨蚀坩埚1相连，调节组件3能够改变磨蚀杵2伸入磨蚀坩埚1内的深度，在本具体实施方式中，调节组件3通过带动磨蚀坩埚1沿竖直方向上下运动，以实现调整磨蚀坩埚1与磨蚀杵2之间的相对位置的目的。
本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置，磨蚀坩埚1能够容纳待处理样品，磨蚀杵2能够伸入磨蚀坩埚1内，驱动器13带动磨蚀杵2转动，磨蚀杵2能够与磨蚀坩埚1内的待处理样品进行摩擦，使待处理样品磨蚀，氦气释放后由导出管8输出；调节组件3能够改变磨蚀杵2伸入磨蚀坩埚1内的深度，以调节磨蚀杵2对待处理样品的摩擦力度，同时还能够适应不同待处理样品的厚度。本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置，利用磨蚀杵2对磨蚀坩埚1内的待处理样品进行磨蚀，无需高温加热或彻底粉磨破碎即可完成氦资源提取，相较于现有技术中提取装置，有效减少了能耗，节约资源，提高了装置的适应性。
其中，提取月球氦-3资源的地面试验装置还包括相连的底座4和顶盖5，底座4和顶盖5之间具有真空腔室6，真空腔室6能够实现真空环境，磨蚀坩埚1和磨蚀杵2位于真空腔室6内，驱动器13穿过顶盖5与磨蚀杵2相连，驱动器13与磨蚀杵2之间设置有磁流体7。利用真空腔室6能够模拟月球环境，使得装置能够模拟氦资源原位提取，在实际操作中，可以利用抽真空装置与真空腔室6相连通，以完成抽真空操作，驱动器13可选择电机，驱动器13利用磁流体7与磨蚀杵2相连，保证真空腔室6内的真空度，提高试验装置的可靠性。
具体地，底座4具有导出通道401，导出通道401与磨蚀坩埚1的内腔相连通，导出通道401与导出管8相连通，提取的氦气由导出通道401进入导出管8，然后进入后续处理单元，导出通道401与导出管8连通处设置有防尘塞。
更具体地，调节组件3包括顶砧301，顶砧301可滑动地与底座4相连，顶砧301与磨蚀坩埚1相抵，顶砧301位于磨蚀坩埚1远离磨蚀杵2的一侧，顶砧301能够顶紧磨蚀坩埚1，从而调节磨蚀杵2伸入磨蚀坩埚1内的深度，使得磨蚀杵2与待处理样品抵接，调节顶砧301的位置，还能够调节磨蚀杵2对待处理样品的静压力，从而调整磨蚀杵2与待处理样品之间的摩擦力。
另外，调节组件3还包括调节座302，调节座302与底座4相连，顶砧301可滑动地穿过调节座302伸入底座4内，顶砧301与调节座302之间设置真空弹簧波纹管303，设置调节座302方便顶砧301伸入底座4内并与磨蚀坩埚1相抵，设置真空弹簧波纹管303，在保证真空腔室6的真空度的同时，避免影响顶砧301正常工作。
为了进一步提高装置的密封性，顶盖5与底座4之间、导出通道401与导出管8之间以及底座4与调节座302之间均分别设置无氧铜垫圈9，有效保证真空腔室6的真空度，避免泄漏。
与此同时，调节组件3还包括固定板304和调节螺栓305，固定板304与底座4相连，调节螺栓305可转动地与固定板304相连，调节螺栓305与顶砧301螺纹连接，固定板304能够固定调节螺栓305与底座4的相对位置，转动调节螺栓305，带动顶砧301往复运动，使得顶砧301能够与磨蚀坩埚1分离或推动磨蚀坩埚1，在本具体实施方式中，固定板304利用固定柱306与底座4相连，顶砧301的边缘可滑动地穿过固定柱306，固定柱306同时为顶砧301往复运动提供了导向。
进一步地，驱动器13连接有支座10，支座10为驱动器13提供了稳定支撑，支座10设置于底座4的顶部，支座10利用支杆11与底座4相连，支座10与底座4之间形成能够容纳磁流体7的安装空间，驱动器13与磁流体7之间以及磁流体7与磨蚀杵2之间均设置有联轴器，确保动力顺利传递；底座4连接有支腿12，调节组件3设置于底座4的底部，提高了装置的结构稳定性。
还需要强调的是，导出管8为U形管，氦气经过U形管，能够除去提取气体中部分夹杂的固体杂质，为后续氦资源处理提供便利。
另外，在本具体实施方式中，磨蚀坩埚1和磨蚀杵2采用4Cr13材质制成，增强耐磨性，延长装置的使用寿命。
更进一步地，本发明还提供一种提取月球氦-3资源的地面试验方法，对月壤或模拟月壤的待处理样品进行摩擦，使月壤或模拟月壤的待处理样品表层磨蚀，以提取氦-3资源。无需高温加热或彻底粉磨破碎即可完成氦资源提取，相较于现有技术中提取装置，有效减少了能耗。
利用本发明的提取月球氦-3资源的地面试验装置，还能够模拟月球原位提取，工作时，需利用气体分离纯化前处理系统和气体质谱测量系统配合工作，将导出管8利用真空法兰与气体前处理系统相连，然后将待处理样品置于磨蚀坩埚1内，放置完成后，利用高真空无氧铜垫圈9对装置进行机械密封，真空腔室6抽真空，为了避免在抽真空过程中操作失误导致待处理样品被压碎，提前调整调节螺栓305的位置，然后再进行抽真空操作；设定驱动器13转速以及工作脉冲，驱动器13工作，转动调节螺栓305，使磨蚀杵2伸入磨蚀坩埚1内一定深度，磨蚀杵2在驱动器13的带动下对待处理样品进行磨蚀，氮气得以释放，由导出管8导出，氮气在样品前处理系统进行分离纯化杂质干扰气后，将其导入气体质谱测量系统进行分析，测试样品产气量、3He/4He比例等。
由于太阳风注入的氦富集在风化层矿物粒间孔隙或小于100nm的矿物边界中，因此，无需高温加热或者彻底粉磨破碎，只需磨蚀月壤颗粒表面次表层即可将氦资源提取出来。本发明的提取月球氦-3资源的地面试验方法，采用对月壤或模拟月壤的待处理样品进行摩擦的方式，使月壤或模拟月壤的待处理样品表层磨蚀，以提取氦-3资源。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于，包括：
磨蚀坩埚，所述磨蚀坩埚能够容纳待处理样品，所述磨蚀坩埚连接有导出管，所述导出管与所述磨蚀坩埚的内腔相连通；
磨蚀杵，所述磨蚀杵能够伸入所述磨蚀坩埚内并与所述待处理样品抵接，所述磨蚀杵连接有驱动器，所述驱动器能够带动所述磨蚀杵转动；
调节组件，所述调节组件与所述磨蚀坩埚相连，所述调节组件能够改变所述磨蚀杵伸入所述磨蚀坩埚内的深度。
2.根据权利要求1所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：还包括相连的底座和顶盖，所述底座和所述顶盖之间具有真空腔室，所述真空腔室能够实现真空环境，所述磨蚀坩埚和所述磨蚀杵位于所述真空腔室内，所述驱动器穿过所述顶盖与所述磨蚀杵相连，所述驱动器与所述磨蚀杵之间设置有磁流体。
3.根据权利要求2所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述底座具有导出通道，所述导出通道与所述磨蚀坩埚的内腔相连通，所述导出通道与所述导出管相连通。
4.根据权利要求2所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述调节组件包括顶砧，所述顶砧可滑动地与所述底座相连，所述顶砧与所述磨蚀坩埚相抵，所述顶砧位于所述磨蚀坩埚远离所述磨蚀杵的一侧。
5.根据权利要求4所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述调节组件还包括调节座，所述调节座与所述底座相连，所述顶砧可滑动地穿过所述调节座伸入所述底座内，所述顶砧与所述调节座之间设置真空弹簧波纹管。
6.根据权利要求5所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述顶盖与所述底座之间、所述导出通道与所述导出管之间以及所述底座与所述调节座之间均分别设置无氧铜垫圈。
7.根据权利要求4所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述调节组件还包括固定板和调节螺栓，所述固定板与所述底座相连，所述调节螺栓可转动地与所述固定板相连，所述调节螺栓与所述顶砧螺纹连接。
8.根据权利要求2所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述驱动器连接有支座，所述支座设置于所述底座的顶部，所述支座利用支杆与所述底座相连，所述驱动器与所述磁流体之间以及所述磁流体与所述磨蚀杵之间均设置有联轴器；所述底座连接有支腿，所述调节组件设置于所述底座的底部。
9.根据权利要求1-8任一项所述的提取月球氦-3资源的地面试验装置，其特征在于：所述导出管为U形管。
10.一种提取月球氦-3资源的地面试验方法，其特征在于：对月壤或模拟月壤的待处理样品进行摩擦，使月壤或模拟月壤的待处理样品表层磨蚀，以提取氦-3资源。
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