CN115336396A - 使用射频和中性束功率的高能量等离子体发生器 - Google Patents
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Abstract
一种用于产生高能量等离子体的设备，该设备采用注入到磁性包含的镜像等离子体中的低能量中性束来产生通过协调的射频场将能量提升至聚变水平的等离子体离子。
Description
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是在美国能源部授予的DE-SC0002322的政府支持下完成的。政府对本发明有一定的权利。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年4月3日提交的美国专利申请16/839,780的权益，该美国专利申请在此通过参引并入。
背景技术
本发明涉及用于产生可以促进核聚变的高能量等离子体的设备，并且特别地涉及使用磁镜约束和中性束注入以及具有附加的射频功率注入的系统。
通过磁镜约束系统，高温等离子体可以被约束为远离物理容器并且避免损坏容器和可能的等离子体淬火。这种约束系统可以提供在磁通量线会聚处的两个端部之间延伸的轴向磁场。在该轴向磁场内移动的等离子体离子以局部回旋频率沿着通量线进行螺旋运动，并且被作用在螺旋离子上的磁力的轴向分量“反射”。通过通量线会聚和伴随磁场强度增加引起的这种反射磁力是在远离会聚的方向上。此外，反射力与垂直于磁场的粒子动能分量成比例。类似的反射力作用在等离子体电子上。
通过产生具有足够高的能量和密度的等离子体，可以在磁镜约束系统中促进核聚变。达到这种高能量/密度状态的一种方法是将电中性粒子(中性束)穿过磁包容场注入到等离子体中，在该等离子体中，中性束的中性粒子被电离，即分裂成等离子体离子和等离子体电子。中性束具有高于聚变所需能量的初始能量，使得即使在引入到等离子体中后等离子体离子的能量具有预期的碰撞损耗，所得到的等离子体离子也能保持适合聚变的能量。等离子体密度和能量由通过中性束注入的快离子的损耗率确定，该损耗率随着束能量的增加而降低；因此高能量离子比低能量离子更好约束。
从能量的角度来看，在磁镜约束系统中，以足以保持高聚变输出的能量产生足够的高能量粒子通量是困难且昂贵的。目前，这种方法对净聚变能的产生似乎并不适用。
发明内容
本发明还将中性束注入注入到磁镜约束中，但与先前的方法不同的是采用具有远小于直接产生显著聚变所需能量的低能量中性束。相反，在中性束被电离后，这些中性束来源的快离子的能量在磁包容容积内通过使用射频电场而被提升。通过控制中性束的注入角度和能量，克服了将射频能量优先传递至快中性束离子而不是热离子的困难，使得磁包容场中的快离子存在定义明确的“转折点”。在转折点处将射频波调谐至回旋频率的倍数(即谐波)，优先将这些中性束注入离子激发至对热离子仅有小的预期波阻尼效应的聚变水平。
然后，具体地，在一个实施方式中，本发明提供了一种用于在磁镜包容场中产生高能量离子体的设备，磁镜包容场提供在保持等离子体的包容容积的相反的第一端部和第二端部处会聚的轴向延伸的磁通量线。中性束发生器将粒子的中性束以相对于磁场的预定倾角和能量范围引导至包容容积中，使得粒子在包容容积内以相同的倾角离解成等离子体离子并且具有定义明确的转折点。在转折点处，快离子具有纯粹的垂直能量。然后，可以使用射频发生器来产生将束来源的离子加速至足够用于等离子体离子聚变的能量的电场。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是提供一种用于在将等离子体离子注入到包容场中之后提升等离子体离子的能量、从而大大提高中性束的效率的系统。
电场的频率可以在功能上取决于磁镜包容场中的中性束的等离子体离子在转折点处的回旋频率。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是优先在具有匹配回旋频率的等离子体离子中沉积能量。
在一个实施方式中，电场的频率可以是转折点处的回旋频率的谐波，电场的频率大于回旋频率。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是利用在较高回旋谐波处发生的射频电能向共振快离子的优先转移。
中性束的能量被设定为使得超过50％的中性束粒子被转化为等离子体离子。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是允许使用较低能量的中性束，其适用于较高的粒子通量并且因此能够获得高的等离子体密度。
中性束可以具有小于50,000电子伏特的能量。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是允许在中性束发生器的设计中为高通量率而不是高能量设定折衷，由此提高离子燃料供给率。
射频发生器可以将来自中性束中的等离子体离子的能量提升超过2倍。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是在注入后提供等离子体离子的显著的能量提升。
射频发生器可以包括天线，该天线定位成接近等离子体离子的反射极限并且产生垂直于磁镜包容场的轴线的旋转电矢量。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是优化用于等离子体离子的能量沉积的天线。
中性束的角度可以相对于轴线在15°与80°之间。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是在中性束的能量与使中性束与热离子隔离的转折点之间提供良好的折衷。
该设备还包括处理容积，该处理容积至少部分地包围包容容积以接纳通过该包容容积的高能量中子，并且该处理容积包含用于嬗变成不同元素的元素。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是提供一种用于用中子处理材料例如以制造放射性药物或使废核燃料再生的系统。
中性束可以选自包括氘和氚的组，并且在一些实施方式中，系统可以仅针对中性束和包容容积中的气体使用氘。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是提供一种下述系统：该系统可以与众所周知的中性束材料一起工作，并且在一些情况下可以避免使用氚而是使用氘。
在一个实施方式中，可以采用本发明以制造具有反应容积的聚变设备，该反应容积将可聚变材料保持在第一轴向延伸磁包容场内。在该实施方式中，第一等离子体插塞和第二等离子体插塞可以沿着轴线位于反应容积的两侧，每个等离子体插塞是用于产生如上所述的高能量等离子体的设备，其中，从第一等离子体插塞和第二等离子体插塞逸出的等离子体离子在反应容积中产生聚变反应。
因此，本发明的至少一个实施方式的特征是为用于提供嬗变或发电的聚变设备提供改进设计。
这些特定的目的和优点可以仅适用于落入权利要求的一些实施方式，并且因此不限定本发明的范围。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的立体剖视图，该第一实施方式提供了磁镜包容场、用于将束引导至包容容积中的中性束发生器以及产生作用在来自中性束发生器的等离子体离子上的电场的射频发生器；
图2是图1的包容容积的通量线的侧向正视图，该侧向正视图与这些通量线的端部视图对准，这两个视图都示出了不同能量的等离子体离子的轨迹以及回旋频率、停留时间和电场强度与轴向距离的函数关系图；以及
图3是聚变设备的简化的正视横截面，该聚变设备采用图1的磁镜包容场作为阻止高能量等离子体离子从中心螺线管磁场单元中逸出的插塞。
具体实施方式
现在参照图1，高能量等离子体系统10可以提供例如呈由不锈钢等制成的密封筒形外壳的形式的压力容器12，该压力容器12沿着轴线14延伸以用于接纳从压力罐等(未示出)通过阀入口组件13的反应气体，比如氘或氚。
第一电磁线圈16a和第二电磁线圈16可以在压力容器12内定位成靠近压力容器12的相反端部，以在第一电磁线圈16a与第二电磁线圈16之间限定具有磁包容场15的包容容积17。电磁线圈16被定向和分离以形成沿着轴线14对准以用于在电磁线圈16之间建立轴向B0场的亥姆霍兹对。在一个实施方式中，电磁线圈16可以是提供绕轴线14进行螺旋的扁平线圈，电磁线圈16由本领域中已知类型的外部可控的DC电源18供电。
定位在电磁线圈16之间但是接近一个电磁线圈16b的是射频天线19(以简化形式示出)，例如，该射频天线19在由射频发生器20驱动时提供沿着轴线14延伸的圆形极化无线电场。如本领域中所理解的，极化无线电场提供垂直于轴线14并且绕轴线14旋转的电矢量21。在T.H.Stix在Nuclear Fusion 15，737(1975)(核聚变，第15卷第737页(1975年))的“Fast Wave Heating of a Two-Component Plasma(双组分等离子体的快波加热)”以及R.W.Harvey、M.G.McCoy、G.D.Kerbel和S.C.Chiu在Nuclear Fusion 26，43(1986)(核聚变，第26卷第43页(1986年))的“ICRF Fusion Reactivity Enhancements in Tokamaks(托卡马克中的ICRF聚变反应性增强)”中找到了适用于该目的的环形天线的进一步讨论，上述文献在此通过参引并入。
在压力容器12的径向外部可以定位有例如呈同心外筒形罐的形式的处理容积22，该处理容积22可以填充有例如用于通过高能量中子比如医用同位素99Mo(钼99)、131I(碘131)、133Xe(氙133)和177Lu(镥177)的前体进行嬗变的水性材料，或者处理容积22可以对保持通过由高能量中子嬗变而再生的废核燃料棒的支架进行支承。
中性束发生器26定位成将中性粒子29(即具有净电荷为零的非电离粒子)的束28以倾角θ注入到包容容积17中。倾角θ被定义为束28的角度与轴线14之间的锐角。例如，中性粒子29是通过气体管线24引入并被局部等离子体(未示出)电离的氘或氚的原子。如本领域中通常所理解的，这些离子在具有一组连续的带电板的加速器室27中被加速。然后离子穿过中和气体单元31，以通过产生束28的中性粒子29的电荷交换过程来产生中性粒子29。
现在还参照图2，由线圈16产生的磁通量线30将产生在线圈16之间的中点处从轴线14径向扩展并且在线圈16的位置处径向收缩的“瓶子”形状。如本领域中通常所理解的，这种构型产生下述镜包容容积，在该镜包容容积中，随机分布的具有足够倾角的“热”等离子体离子32在由转折点34限定的区域之间绕通量线30进行螺旋。
如本领域中所理解的，这些热等离子体离子可以以多种方式例如通过使用射频天线19(尽管效率较低)或者使用产生电子回旋共振加热的高频微波的单独加热系统来建立。
在转折点34的区域处，热等离子体离子32反转方向，这是由通量线30的会聚产生的磁性洛伦兹力的轴向分量的增加而引起的。绕通量线30进行螺旋的频率35被称为“回旋频率”，并且该频率35是沿着轴线14的磁场37的强度的函数，并且由于这个原因，回旋频率35通常朝向电磁线圈16增加。对于质量和电荷相等的离子，回旋频率在沿着轴线14的给定位置处标称上将是相同的，与离子的速度或能量无关；然而，具有不同倾角的相等质量的离子32通常将具有不同的转折点34。
中性束28的中性粒子29的速度和因此的能量以及中性束28的倾角θ被设定成使得中性束28的大多数、例如大于50％的粒子将在离开包容场之前在包容容积17内被电离成等离子体离子36。处于相同倾角的、现在具有电荷的这些等离子体离子36被磁通量线30捕获以增加等离子体密度。
为了促进中性束28的大多数中性粒子29的这种截留，限制中性束28的能量以便为待被电离的中性粒子29提供充足的飞行时间。通常，中性束28的用于电离的期望能量将远低于用于实质聚变所需的动能，并且通常小于10万电子伏特或者优选地小于50,000电子伏特，并且更通常地在大约15keV至25keV的数量级。这与现有技术方法形成对比，现有技术方法要求中性粒子29的能量超过促进等离子体离子36之间的聚变所需的能量，并且对于D-D聚变，通常具有超过一百万电子伏特的能量。通过限制中性束28的能量，可以在共用的中性束发生器26中实现折衷，以产生更高通量密度的中性粒子29，从而也增加了等离子体密度。
仍然参照图1和图2，中性束28的倾角θ被选择成为所得到的等离子体离子36提供沿着轴线14的预定转折点34’，并且因此在转折点34’处提供等离子体离子36的对应的预定回旋频率35。该回旋频率用于设定射频发生器20的频率，如将在下面讨论的。
另外，天线19被放置为接近转折点34’中的一个转折点，以在该区域提供最大场强。
最后，在中性束28的提供对包容容积17内的中性粒子29的期望捕获的能级内，中性束28的能量被设定为尽可能高，使得由中性束28(回转轨道52)产生的等离子体离子36的轨道半径高于“热离子”32的平均分布回转轨道52，“热离子”32是不直接由中性束28获得的离子。
虽然发明人不希望受特定理论的约束，但上述：(a)在转折点34’处将射频发生器20的回旋频率设定为等离子体离子36的回旋频率的谐波，(b)将等离子体离子36的能量提升至高于热等离子体离子32的平均分布值，以及(c)使转折点34’处的电场强度最大，所有这些一起作用以允许射频发生器20优先提升来自中性束28的等离子体离子36的能量而不受热等离子体离子32的阻尼影响。
在这方面，与具有一系列不同的多普勒频移回旋频率和低效耦合的热等离子体离子32相比，射频发生器20的设定(根据(a))提供了与具有匹配(例如，谐波相关的)回旋频率35的等离子体离子36的优先耦合。这种耦合可以与贝塞尔函数Bn-1(k⊥*v⊥/ωci)成比例，在该函数中：
n是注入波的共振回旋谐波数，
k⊥是垂直波数，以及
ωci是共振离子的回旋频率。
k⊥/ωci的量可能可以是～vA，即离子的阿尔芬速度(参见T.H.Stix在NuclearFusion 15，737(1975)(核聚变，第15卷第737页(1975年))的“Fast Wave Heating of aTwo-Component Plasma(双组分等离子体的快波加热))。考虑到贝塞尔函数对v⊥的依赖性，耦合与离子的垂直速度的幂成比例，并且耦合可以调节成优先对来自中性束的热尾离子和通过射频波扩散到更高能量的那些热尾离子进行阻尼。
此外，通过根据转折点34’处的回旋频率35设定射频发生器20的频率，来自射频发生器20的电场对等离子体离子36的影响由于等离子体离子36在等离子体离子36转向时的最低轴向速度期间在转折点34’处的停留时间50延长而增加。例如，这与热等离子体离子32相反，热等离子体离子32通过该区快速移动至另外的转折点34或者没有到达远至转折点34’。
如上所述，通过将等离子体离子36的能量提升至高于热等离子体离子32的分布值(根据(b))，并且通过将RF发生器20设定为是等离子体离子36的回旋频率35的高次谐波的RF频率，具有较高半径的回转轨道52的较高能量等离子体离子36优先于具有较小回转轨道52的热等离子体离子32吸收功率。在一些实施方式中，RF频率可以被设定为20兆赫至100兆赫的范围和/或大于n＝2并且优选地n＝4的谐波n。
通常，根据与那些谐波相关联的贝塞尔函数的数量的增加，高次谐波提升了能量吸收与回转轨道52之间的关系。具体地，能量吸收将与Jn-1(k⊥ρ)成比例，其中：Jn-1是给定谐波n的贝塞尔系数；ρ是粒子的绕磁通量线30的回转轨道52的半径，该半径依据
随着能量的增加而增加；以及k⊥是等离子体离子36的波数，该波数是在等离子体内的波和发射该波的天线19的极化的性能。
将理解的是，等离子体离子36对能量的这种有效优先吸收将随着能量被吸收并且等离子体离子36的回转轨道被增加而自增强。
最后，通过将天线19的最高场强度安置于转折点34’附近，等离子体离子36优先受到影响。
通常，磁包容场15将倾向于通过其端部损失具有低倾角的一些等离子体离子32。这些粒子被称为处于“损失锥”中。通过在损失锥外部提升具有已知倾角θ的等离子体离子36的数量，可以获得增加的等离子体密度。
尽管转折点34’附近的等离子体离子36的回旋频率以及因此射频发生器20的频率的期望设定主要是真空磁场强度37的函数，但是真空磁场强度37将根据增加等离子体密度/压力的函数而略微改变。相应地，本发明设想的是，在操作期间可以调节DC电源18或RF发生器20中的任一者或两者以保持上述促进能量转移至等离子体离子36的关系。特别地，这种调节可以经由使用检测等离子体压力的传感器56的闭环反馈控制、例如使用抗磁环进行，该抗磁环将测量由于等离子体压力增加而引起的磁场的减弱，以确保RF发生器20的激励频率与转折点34’处的实际和动态回旋频率35相匹配。在某种程度上，回旋频率由总场(来自线圈的真空场加上等离子体抗磁性)决定；本发明还可以设想的是，可能不需要改变频率，但转折点的位置将移动成更靠近电磁镜线圈。
现在参照图3，本发明在提供高等离子体密度方面的益处使其可以用作系统的一部分，其中，两个高能量等离子体系统10可以用作“插塞”以在大型中子发生器60中捕获高能量等离子体离子，以用于嬗变(如上所述)或聚变发电的目的。例如，这样的设计可以使用例如在G.Dimov、V.Zakaidakov和M.Kishinevski在Fiz.Plazmy 2 597(1976)(Fiz.Plazmy第2卷第597页(1976年))、Sov.J.Plasma,Phys 2,326(1976)(Sov.J.Plasma Phys第2卷第326页(1976年))以及T.K.Fowler和B.G.Logan在Comments on Plasma Physics andControlled Fusion 2，167(1977)(关于等离子体物理和受控聚变的评论，第2卷第167页(1977年))处所描述的串联镜方案，并且上述文献在此通过参引并入。
更具体地，在这种串联镜式中子发生器60中，第一高能量等离子体系统10a和第二高能量等离子体系统10b沿着轴线14相反地放置在发生器容积62的两侧。通常，高能量等离子体系统10将具有大约2米的轴向长度，而发生容积62将大得多，例如大约50米或更大。
高能量等离子体系统10a和10b二者中的电磁线圈16可以轴向对准以提供磁场的沿着共用轴线14的相同的极化方向。因此，第一高能量等离子体系统10a的通量线30可以继续穿过容积62到达第二高能量等离子体系统10b。在容积62内，通量线30被围绕容积62环绕轴线14的轴向延伸的螺线管线圈66聚焦。
为此目的，电磁线圈16可以是例如根据D.Whyte、J.Minervini、B.LaBombard、E.Marmar、L.Bromberg和M.Greenwald在Journal of Fusion Energy，35，41(2016)(聚变能杂志，第35卷第41页(2016年))中的“Smaller and sooner：Exploiting high magneticfields from new superconductors for a more attractive fusion energydevelopment path(更小和更快：利用来自新超导体的高磁场实现更具吸引力的聚变能量发展路径)”的超导磁体，上述文献也在此通过参引并入。
具有均匀分布的倾角并且已经通过来自等离子体离子36的动力学传递被提升至更高能量的热等离子体离子32的子集可以从高能量等离子系统10逸出到包含例如氘或氚的反应气体的容积62中，以促进聚变和中子64从容积62的发射。高能量等离子体系统10的高压阻止高能量等离子体离子从容积62逸出以保持用于显著聚变的高密度。
容积62可以被包含容积22包围，该包含容积22可以包括热交换器液体68、例如用于通过一个或更多个热交换器接纳例如用于产生电能的热力学发动机比如涡轮机等的工作流体70。替代性地，包含容积22可以用于材料的嬗变以产生医用同位素或者使废核燃料再生，如上面所讨论的。
本申请并入了题为Apparatus and Method for Generating Medical Isotopes(用于产生医用同位素的设备和方法)的美国专利申请2019/0326029和题为Apparatus andmethod for generating medical isotopes(用于产生医用同位素的设备和方法)的美国专利申请2013/0142296的公开内容，上述美国专利申请描述了用于管理同位素嬗变的附加技术，包括中子倍增器发生器的使用和用于产生上述中性束的其他构造细节和机制。
本文使用的某些术语仅用于参照的目的，并且因此并不意在进行限制。例如，术语比如“上”、“下”、“上方”和“下方”指的是所参照的附图中的方向。术语比如“前”、“后”、“后部”、“底部”和“侧部”描述了部件的各部分在一致但任意的参照系内的取向，该取向通过参照对所讨论部件进行描述的文本和相关联的附图而变得清楚。这样的术语可以包括上面具体提及的词、其派生词和类似含义的词。类似地，术语“第一”、“第二”和涉及结构的其他这样的数字术语不暗示次序或顺序，除非上下文明确指出。
当介绍本公开和示例性实施方式的元件或特征时，冠词“一”、“一种”、“该”和“所述”意在表示存在这样的元件或特征中的一者或更多者。术语“包括”、“包含”和“具有”意在是包容性的并且意味着可能存在除了具体指出的那些元件或特征之外的附加元件或特征。还应理解的是，本文中描述的方法步骤、过程和操作不被解释为必须要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行，除非被明确标识为执行顺序。还应该理解的是，可以采用附加的或替代性的步骤。
特别的意图在于，本发明不限于本文中所包含的实施方式和图示，并且权利要求应被理解为包括这些实施方式的修改形式，所述修改形式包括在所附权利要求的范围内的实施方式的部分和不同实施方式的元件的组合。本文中所描述的包括专利和非专利出版物的所有出版物的全部内容在此均通过参引并入本文中。
Claims (17)
1.一种用于产生高能量等离子体的设备，包括：
磁镜包容场，所述磁镜包容场提供在保持等离子体的包容容积的相反的第一端部和第二端部处会聚的轴向延伸的磁通量线；
中性束发生器，所述中性束发生器将粒子的中性束以预定的倾角和能量引导至所述包容容积中，使得所述粒子在所述包容容积内离解成等离子体离子；以及
射频发生器，所述射频发生器产生将所述等离子体离子加速至足够用于所述等离子体离子聚变的能量的电场。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电场的频率在功能上取决于所述磁镜包容场中的所述中性束的所述等离子体离子在转折点处的回旋频率。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述频率是所述回旋频率的谐波，所述频率大于所述回旋频率。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中性束的能量被设定成使得超过50％的所述中性束粒子转化为等离子体离子。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中性束具有小于50,000电子伏特的能量。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述射频发生器将来自所述中性束的所述等离子体离子的能量提升超过2倍。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述射频发生器包括天线，所述天线定位成接近所述等离子体离子的反射极限并且产生垂直于所述磁镜包容场的轴线的旋转电矢量。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述倾角相对所述轴线在30°与60°之间。
9.根据权利要求1所述的设备，还包括处理容积，所述处理容积至少部分地包围所述包容容积以接纳通过所述包容容积的高能量中子，并且所述处理容积包含用于嬗变成不同元素的元素。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述用于嬗变的元素是选自包括前体99Mo、131I、133Xe和177Lu的组的医用放射性同位素的前体。
11.根据权利要求9所述的设备，其中，所述用于嬗变的元素是耗尽的核燃料。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中性束选自包括氘和氚的组。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述中性束是氘。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备包括产生所述磁镜包容场的一对磁线圈，并且其中，所述射频发生器在所述磁线圈之间提供天线，并且其中，所述包容容积包含在气密室内。
15.一种聚变设备，包括：
反应容积，所述反应容积将可聚变材料保持在第一轴向延伸磁包容场内；
第一等离子体插塞和第二等离子体插塞，所述第一等离子体插塞和所述第二等离子体插塞沿着轴线位于所述反应容积的两侧；每个等离子体插塞包括：
(a)磁镜包容场，所述磁镜包容场提供在保持等离子体的包容容积的相反的第一端部和第二端部处会聚的轴向延伸的磁通量线；
(b)中性束发生器，所述中性束发生器将粒子的中性束以预定的倾角和能量引导至所述包容容积中，使得所述粒子在所述包容容积内离解成等离子体离子；以及
(c)射频发生器，所述射频发生器产生将所述等离子体离子加速至高于进入所述包容容积的所述粒子的能量的能量的电场。
由此，从所述第一等离子体插塞和所述第二等离子体插塞逸出的所述等离子体离子在所述反应容积中产生聚变反应。
16.根据权利要求15所述的聚变设备，其中，所述第一等离子体插塞和所述第二等离子体插塞内的等离子体离子的压力大于所述反应容积内的等离子体离子的压力。
17.根据权利要求16所述的聚变设备，还包括发电机，所述发电机接纳来自所述反应容积的中子以产生电能。
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