CN112670002A - 一种防反应堆控制棒弹棒装置及反应堆 - Google Patents

一种防反应堆控制棒弹棒装置及反应堆 Download PDF

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Abstract

本发明涉及反应堆系统设备技术领域，提供一种防反应堆控制棒弹棒装置及反应堆。装置上部驱动杆，其内部包括一容置腔；下部驱动杆；触发组件，包括触发机构和触发针，触发机构用于保持触发针处于锁定状态，当上部驱动杆以较大的加速度向上移动时，触发机构动作引发触发针位移；支撑件，设置在上部驱动杆与下部驱动杆的结合处，与触发针联动；本发明用于在驱动杆失控弹出事故工况下，实现驱动杆与控制棒组件自动断开连接，避免了控制棒的失控弹出，从而保证堆芯不会在短时间内引入大量正反应性，降低了包壳破损的几率，提高了反应堆安全性。

Description

一种防反应堆控制棒弹棒装置及反应堆
技术领域
本发明涉及反应堆系统设备技术领域，具体涉及一种防反应堆控制棒弹棒装置及反应堆。
背景技术
控制棒组件是一种快速控制反应性的工具，在正常运行时用于调节反应堆功率，在事故工况下快速引入负反应性，使反应堆紧急停堆，保证核安全。
控制棒组件由星形架和吸收剂棒组成。星形架用不锈钢制成，它的中央是一个连接柄，其内部通过丝扣与控制棒驱动机构驱动杆上的可拆接头相连接。连接柄下端装有弹簧组件，当控制棒快速下落时，弹簧可起缓冲作用，减小控制棒组件对燃料组件的撞击。以连接柄为中心呈辐射状装有16块连接翼片，每个翼片上装有1或2个指状物，每个指状物带一根吸收剂棒，通过螺纹固定，然后用销钉紧固。共有24根吸收剂棒，这些吸收剂棒可插入对应燃料组件的24根导向管内。
控制棒组件的驱动机构是一种步进式提升机构，用来使控制棒组件在对心内提起、插入或保持在适当的位置，以实现反应性控制。每个控制棒组件都由单独的控制棒驱动机构操作，位于压力容器上方。控制棒驱动机构结构由销爪组件、驱动杆、压力外壳、操作线圈和单棒位置指示线圈组成。在失去电源时，控制棒靠重力落入堆芯，从最高位置自由下落到最低位置的最长时间为3.2s，下落至缓冲段允许的最长时间为2.15s。
正常条件下，驱动杆底部与控制棒组件的连接柄通过丝扣相连。若控制棒驱动机构压力外壳发生破裂，驱动杆将在巨大压差的作用下失控弹出，进而带动控制棒组件从堆芯抽出。若刚好是插入最深、价值最大的控制棒组件发生失控弹出，将会导致堆芯在短时间内引入大量正反应性，使得堆芯功率突增，进而引起燃料包壳损伤，释放大量放射性核素，威胁电厂工作人员及公众人员人身安全。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，本发明提供一种防反应堆控制棒弹棒装置及使用该装置的发应堆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种防反应堆控制棒弹棒装置，包括：
上部驱动杆，其内部包括一容置腔；
下部驱动杆，可拆卸连接在所述上部驱动杆的底部；
触发组件，设置在所述容置腔内，包括触发机构和触发针，所述触发机构用于保持触发针处于锁定状态，当所述上部驱动杆以较大的加速度向上移动时，触发机构动作触发所述触发针位移；
支撑件，设置在所述上部驱动杆与下部驱动杆的结合处，与所述触发针联动；
其中，所述触发针处于锁定状态时，所述支撑件支撑所述下部驱动杆固定设置在所述上部驱动杆的下部；当所述触发针发生位移时，支撑件内收，所述下部驱动杆与上部驱动杆分离、并受重力脱落。
优选的，所述容置腔在所述上部驱动杆内部上、下侧，包括上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室之间设有连通孔。
优选的，所述上部驱动杆的底部固定有一方形凸台，下部驱动杆的顶部形成有与所述凸台匹配的方形凹槽。
优选的，所述触发机构设置在所述容置腔内，自上到下依次包括第一弹簧、触发件、以及锁定机构；所述第一弹簧的上端固定在所述容置腔的顶部，下端与所述触发件固定相接；
所述锁定机构设置在所述触发针和所述触发件之间，在锁定状态下，所述锁定机构保持所述触发针处于锁定状态；在触发状态下，所述触发件触发所述锁定机构解锁，松开所述触发针。
优选的，所述锁定机构包括T型件、弹簧片、扭动触发杆和L型触发杆；
所述容置腔内固定有一对水平间隔分布的支架，所述支架的中心处设有滑孔，所述T型件下段滑动穿设于所述滑孔中，所述T型件的底部与所述弹簧片的自由端相接触，所述弹簧片另一端固定在所述容置腔的内壁上；
所述扭动触发杆靠近所述弹簧片的下侧，其一端通过扭簧转动连接所述容置腔的内壁上；
所述L型触发杆的上端抵靠于所述扭动触发杆的自由端，所述L型触发杆的底部通过可转动铰接在所述容置腔内，并且所述L型触发杆的下部自由端锁定所述触发针；
其中，所述弹簧片向下受压变形时，可挤压所述扭动触发杆向下转动，以使所述L型触发杆上端限制解除，从而使得所述L型触发杆可转动松开对所述触发针的锁定。
优选的，所述扭动触发杆自然状态下，主体呈水平方向分布，与所述弹簧片平行，所述L型触发杆包括两段相互垂直长杆和短杆，所述扭动触发杆水平时，其自由端支撑所述长杆处于竖直状态，约束所述L型触发杆扭动。
优选的，所述第一弹簧的弹性系数、所述触发件的重量以及正常悬挂时所述触发件与所述T型件之间的距离与所述上部驱动杆的向上运动加速度相互匹配，仅在所述上部驱动杆以较大的加速度向上移动时，所述第一弹簧被拉长，所述触发件碰撞到所述T型件，使得所述T型件沿所述支架产生相对位移动作。
优选的，所述触发针的上、下段分别设有第一贯穿孔和第二贯穿孔，所述触发针与所述下腔室的顶部之间连接有第二弹簧，所述触发针锁定状态时，所述触发机构配合插接在所述第一贯穿孔内，所述第二弹簧受压蓄力。
优选的，所述触发针为细长的长方体，横截面为正方形，所述连通孔为与所述触发针适配的方形孔，所述连通孔与所述触发针间隙配合连接。
优选的，所述支撑件包括两个对称设置的支撑牙，可转动连接在所述容置腔的壁面上；
在所述上部驱动杆与下部驱动杆的结合处共同开设有贯通的槽口，所述触发针锁定状态时，所述支撑牙的相对内端压紧在所述触发针上，外端伸入所述槽口内卡住所述下部驱动杆；当所述触发针向下位移时，所述支撑牙的相对内端插入所述第二贯穿孔内，外端向内侧转动，脱离所述下部驱动杆上的槽口。
优选的，所述上部驱动杆及下部驱动杆的周向设有若干个贯通的流水孔，所述上部驱动杆与下部驱动杆的结合面处也设置有所述流水孔。
本发明还提供一种反应堆，包括压力容器、堆芯、插入所述堆芯的控制棒组件、驱动所述控制棒组件的驱动机构等部件，所述反应堆还包括上述任一项所述的防反应堆控制棒弹棒装置。
实施发明至少具有以下有益效果：
本发明利用上部驱动杆与下部驱动杆可分离设计，通过上部驱动杆以较大的加速度向上移动时引发触发机构响应的机制，触发机构动作推动触发针位移，触发针发生位移时，支撑件内收，下部驱动杆与上部驱动杆分离、并受重力脱落。在控制棒驱动机构压力外壳发生破裂的事故工况下，上部驱动杆以很大的加速度向上弹出，触发机构响应，使得上、下部驱动杆分离。其中，上部驱动杆在压差推动下向上弹出，下部驱动杆及控制棒组件在重力作用下下落，插进反应堆堆芯，驱动杆与控制棒组件将自动断开连接，避免了控制棒的失控弹出，保证堆芯不会在短时间内引入大量正反应性，降低了包壳破损的几率，提高了反应堆安全性。
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为本发明的未触发前触发针与L型触发杆状态示意图；
图2为本发明的触发后触发针及支撑件状态示意图；
图3为本发明的整体装置在驱动杆与控制棒组件之间连接示意图；
图4为本发明的触发机构在上腔室内部示意图；
图5为本发明的触发针剖面示意图；
图中的标号分别代表：1-上部驱动杆；2-下部驱动杆；3-触发针；4-支撑件；5-第一弹簧；6-触发件；7-T型件；8-弹簧片；9-扭动触发杆；10-L型触发杆；11-支架；12-支撑台；13-第二弹簧；14-槽口；15-流水孔；16-连接板；17-驱动杆；18-控制棒组件；101-上腔室；102-下腔室；103-连通孔；104-凸台；201-凹槽；301-第一贯穿孔；302-第二贯穿孔；1001-长杆；1002-短杆；1101-滑孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
实施例：
本实施例的一种防反应堆控制棒弹棒装置，参照图1-4，该装置的主体用于连接在控制棒组件18与驱动机构的驱动杆17之间，装置的主体包括上部驱动杆1，上部驱动杆1其内部包括一容置腔；以及下部驱动杆2，可拆卸连接在上部驱动杆1的底部；上部驱动杆1、下部驱动杆2均采用钢合金材料。可以理解的，在一些实施例中，该防反应堆控制棒弹棒装置可以用于反应堆中，该反应堆可以包括堆芯、插入堆芯的控制棒组件以及驱动控制棒组件的驱动机构等，防反应堆控制棒弹棒装置连接在控制棒组件与驱动机构之间，可以有效的防止反应堆控制棒组件的弹棒事故。
在上部驱动杆1和下部驱动杆2之间设置有触发组件，设置在容置腔内，包括触发机构和触发针3，触发机构用于保持触发针3处于锁定状态，当上部驱动杆1以较大的加速度向上移动时，触发机构动作引起触发针3位移；
支撑件4，设置在上部驱动杆1与下部驱动杆2的结合面处，与触发针3联动；其中，触发针3处于锁定状态时，支撑件4支撑下部驱动杆2固定设置在上部驱动杆1的下部；当触发针3发生位移时，支撑件4内收，下部驱动杆2与上部驱动杆1分离、并受重力脱落。在本实施例中，支撑件4展开至最大支撑臂展时，托举下部驱动杆2固定设置在上部驱动杆1的底部；触发针3发生位移时，支撑件4内收，下部驱动杆2与上部驱动杆1分离、并受重力脱落。
本装置在使用安装时，通过将下部驱动杆2与控制棒组件18的连接柄通过丝扣相连接，上部驱动杆1与控制棒驱动机构的驱动杆17上的可拆接头通过丝扣相连接。
参照图1，在本实施例中，容置腔包括在上部驱动杆内部上、下侧设置的上腔室101和下腔室102，两者之间通过连通孔103相连通。在实现下部驱动杆2与上部驱动杆1可拆卸连接时，上部驱动杆1的底部固定有一凸台104，下部驱动杆2的顶部形成有与凸台104匹配的凹槽201，两者刚好匹配扣紧，其中，该凸台104可以为方形凸台、对应的凹槽201为方形凹槽，使得两者之间不能发生相对扭动。同时，本实施例优选地上部驱动杆1与下部驱动杆2的结合面处，即凸台104匹配的凹槽201接触面处设置有流水孔15，确保上部驱动杆1及下部驱动杆2在分离时可以快速脱离。
其中，触发机构设置在上腔室101内，具体地在上腔室101内自上到下依次包括第一弹簧5、触发件6以及锁定机构。第一弹簧5的上端固定在容置腔的顶部，下端与触发件6固定相接。在本实施例中，该触发件6可以为钢球，其重量可以根据实际需要进行调整，利用钢球的惯性作为触发，碰撞锁定机构解锁。
锁定机构设置在触发针3和触发件6之间，在锁定状态下，锁定机构保持触发针3处于锁定状态；在触发状态下，触发件6触发锁定机构解锁，松开触发针3。
在本实施例中，该锁定机构包括T型件7、弹簧片8、扭动触发杆9和L型触发杆10。第一弹簧5的上端固定在上腔室101的顶部，下端与触发件6固定相接，上腔室101内固定有一对水平间隔分布的支架11，支架11的中心处设有滑孔1101，T型件7下段滑动设置在滑孔1101，T型件7的底部与弹簧片8的自由端相接触，弹簧片8另一端通过连接板16固定在上腔室101的内壁上。扭动触发杆9靠近弹簧片8的下侧，其一端通过扭簧转动连接上腔室101的内壁上。
L型触发杆10的底部通过扭簧铰接在支撑台12上，并可绕支撑台12进行摆动，支撑台12固定在上腔室101底部内壁上。可以理解的，L型触发杆10也可以直接通过转轴可转动安装在容置腔的内壁。L型触发杆10的上端抵靠于扭动触发杆9的自由端，L型触发杆10的底部通过可转动铰接在容置腔内，并且L型触发杆10的下部自由端锁定触发针3。
其中，弹簧片8向下受压变形时，可挤压扭动触发杆9向下转动，以使L型触发杆10上端限制解除，从而使得所述L型触发杆10可转动松开对触发针3的锁定。
其中，触发针3的主体穿过连通孔103，触发针3的上、下段分别设有第一贯穿孔301和第二贯穿孔302，触发针3与下腔室102的顶部之间连接有第二弹簧13，触发针3锁定状态时，L型触发杆10的短杆1002配合插接在第一贯穿孔301内，第二弹簧13受压蓄力。优选地触发针3为细长的长方体，横截面为正方形，连通孔103为与触发针3适配的方形孔，连通孔103与触发针3间隙配合连接，使得触发针3仅可发生上下方向的活塞运动，而不能发生扭动。
优选地，扭动触发杆9自然状态下，主体呈水平方向分布，与弹簧片8平行，L型触发杆10由两段相互垂直长杆1001和短杆1002组成，扭动触发杆9水平时，其自由端支撑长杆1001处于竖直状态，约束L型触发杆10扭动。利用对L型触发杆10的转动限制约束，使得L型触发杆10的短杆1002配合插接在第一贯穿孔301内，限制触发针3向下位移，保持固定。同时，这样的设计使得弹簧片8向下受压较小变形时，也可以实现挤压扭动触发杆9向下转动。从而利用扭动触发杆9自由端的脱离，释放L型触发杆10，使其在扭簧的作用力下转动，实现L型触发杆10的短杆1002脱离触发针3的第一贯穿孔301内，完成对触发针3从锁定状态的释放。
参照图1、2、5，本实施例中的支撑件4包括两个对称设置的支撑牙，支撑牙大体呈三角形，配合扭簧转动连接在下腔室102的壁面上，上部驱动杆1与下部驱动杆2的结合处，共同开设有贯通的槽口14，触发针3锁定状态时，支撑牙的相对内端压紧在触发针3上，外端伸入槽口14内卡住下部驱动杆2，实现下部驱动杆2在上部驱动杆1的底部的固定连接。触发针3沿连通孔103向下位移时，支撑牙的相对内端插入第二贯穿孔302内，其外端向内侧转动，脱离下部驱动杆2上的槽口14，使得套接在上部驱动杆1的底部的下部驱动杆2在重力作用下自动脱落。
本实施例中优选地在上部驱动杆1及下部驱动杆2的周向设有若干个贯通的流水孔15，上部驱动杆1周向挖了若干个流水孔15，使得上腔室101与外部环境连通，使得腔室内的冷却剂可自由通过流水孔15进出，保证了触发件6可在腔室内自由上下运动，而不会受到过大的阻力。其中，流水孔15的数量、内径参数与触发件6的体积和质量相关，可根据实际需要进行优化。
本装置的工作原理：触发机构在触发前，上部驱动杆1与下部驱动杆2处于扣合状态，支撑牙可承受下部驱动杆2及控制棒组件18的重力，使得上部驱动杆1和下部驱动杆2连接在一起。
发生弹棒事故时，驱动机构的驱动杆17顶部的压力突降为一个大气压，而驱动杆17底部压力维持在107Pa量级（以压水堆为例，对应压力约为15.5MPa），在上下端巨大压差产生的压力驱动下，上部驱动杆1以很大的加速度向上弹出，并带动第一弹簧5的顶部向上运动。由于触发件6存在惯性，存在维持原静止状态的趋势，使得弹簧被拉长，进一步与跟随上部驱动杆1向上运动的T型件7与触发件6碰撞，使得T型件7下插，触发扭动触发杆9向下摆动，L型触发杆10也向下摆动，使得触发针3被释放。在第二弹簧13的推力作用下，触发针3向下运动，使得触发针3下部贯穿孔与支撑牙的压紧端对正，压紧端失去支撑作用，使得支撑牙在下部驱动杆2和控制棒组件18的重力作用下向下扭动，压紧端进入下部贯穿孔中，从而使得上、下部驱动杆2分离。于是，上部驱动杆1在压差推动下向上弹出，下部驱动杆2及控制棒组件18在重力作用下下落，插进反应堆堆芯。避免了控制棒的失控弹出，保证堆芯不会在短时间内引入大量正反应性，降低了包壳破损的几率，提高了反应堆安全性。
其中，值得注意的是：第一弹簧5的弹性系数，触发件6的重量以及正常悬挂时触发件6与T型件7之间的距离需要根据上部驱动杆1的加速度相互匹配，保证正常运行时触发件6不会误碰撞钢针，仅在弹棒工况下发生碰撞，触发T型件7下插动作。其中，上部驱动杆1的加速度又与反应堆运行压力，驱动杆的横截面积以及上部驱动杆1的质量相关，因此防控制棒弹棒装置需要根据特定的反应堆进行设计，但不影响本方案原理上的实施。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，包括：
上部驱动杆，其内部包括一容置腔；
下部驱动杆，可拆卸连接在所述上部驱动杆的底部；
触发组件，设置在所述容置腔内，包括触发机构和触发针，所述触发机构用于保持触发针处于锁定状态，当所述上部驱动杆以较大的加速度向上移动时，触发机构动作触发所述触发针位移；
支撑件，设置在所述上部驱动杆与下部驱动杆的结合处，与所述触发针联动；
其中，所述触发针处于锁定状态时，所述支撑件支撑所述下部驱动杆，固定设置在所述上部驱动杆的下部；当所述触发针发生位移时，支撑件内收，所述下部驱动杆与上部驱动杆分离、并受重力脱落。
2.根据权利要求1所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述容置腔在所述上部驱动杆内部上、下侧，包括上腔室和下腔室，所述上腔室和下腔室之间设有连通孔。
3.根据权利要求2所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述上部驱动杆的底部固定有一方形凸台，下部驱动杆的顶部形成有与所述凸台匹配的方形凹槽。
4.根据权利要求1所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述触发机构设置在所述容置腔内，自上到下依次包括第一弹簧、触发件、以及锁定机构；所述第一弹簧的上端固定在所述容置腔的顶部，下端与所述触发件固定相接；
所述锁定机构设置在所述触发针和所述触发件之间，在锁定状态下，所述锁定机构保持所述触发针处于锁定状态；在触发状态下，所述触发件触发所述锁定机构解锁，松开所述触发针。
5.根据权利要求4所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述锁定机构包括T型件、弹簧片、扭动触发杆和L型触发杆；
所述容置腔内固定有一对水平间隔分布的支架，所述支架的中心处设有滑孔，所述T型件下段滑动穿设于所述滑孔中，所述T型件的底部与所述弹簧片的自由端相接触，所述弹簧片另一端固定在所述容置腔的内壁上；
所述扭动触发杆靠近所述弹簧片的下侧，其一端通过扭簧转动连接所述容置腔的内壁上；
所述L型触发杆的上端抵靠于所述扭动触发杆的自由端，所述L型触发杆的底部通过可转动铰接在所述容置腔内，并且所述L型触发杆的下部自由端锁定所述触发针；
其中，所述弹簧片向下受压变形时，可挤压所述扭动触发杆向下转动，以使所述L型触发杆上端限制解除，从而使得所述L型触发杆可转动松开对所述触发针的锁定。
6.根据权利要求5所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述扭动触发杆自然状态下，主体呈水平方向分布，与所述弹簧片平行，所述L型触发杆包括两段相互垂直长杆和短杆，所述扭动触发杆水平时，其自由端支撑所述长杆处于竖直状态，约束所述L型触发杆扭动。
7.根据权利要求5所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述第一弹簧的弹性系数、所述触发件的重量以及正常悬挂时所述触发件与所述T型件之间的距离与所述上部驱动杆的向上运动加速度相互匹配，仅在所述上部驱动杆以较大的加速度向上移动时，所述第一弹簧被拉长，所述触发件碰撞到所述T型件，使得所述T型件沿所述支架产生相对位移动作。
8.根据权利要求2所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述触发针的上、下段分别设有第一贯穿孔和第二贯穿孔，所述触发针与所述下腔室的顶部之间连接有第二弹簧，所述触发针锁定状态时，所述触发机构配合插接在所述第一贯穿孔内，所述第二弹簧受压蓄力。
9.根据权利要求8所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述触发针为细长的长方体，横截面为正方形，所述连通孔为与所述触发针适配的方形孔，所述连通孔与所述触发针间隙配合连接。
10.根据权利要求8所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述支撑件包括两个对称设置的支撑牙，可转动连接在所述容置腔的壁面上；
在所述上部驱动杆与下部驱动杆的结合处共同开设有贯通的槽口，所述触发针锁定状态时，所述支撑牙的相对内端压紧在所述触发针上，外端伸入所述槽口内卡住所述下部驱动杆；当所述触发针向下位移时，所述支撑牙的相对内端插入所述第二贯穿孔内，外端向内侧转动，脱离所述下部驱动杆上的槽口。
11.根据权利要求1所述的一种防反应堆控制棒弹棒装置，其特征在于，所述上部驱动杆及下部驱动杆的周向设有若干个贯通的流水孔，所述上部驱动杆与下部驱动杆的结合面处也设置有所述流水孔。
12.一种反应堆，包括堆芯、插入所述堆芯的控制棒组件、以及驱动所述控制棒组件的驱动机构，其特征在于，所述反应堆还包括权利要求1-11任一项所述的防反应堆控制棒弹棒装置。
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