DE1464553A1 - Fangeinrichtung zum Zurueckhalten von radioaktiven Spaltprodukten - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

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15 453/4 1""W T<xrr\l Berlin, den 28. August 1962

Europäische Atomgemeinschaft (EURATOM) Brüssel (Belgien)

Fangeinrichtung zum Zurückhalten von radioaktiven

Spaltprodukten

Die Erfindung betrifft eine Fangeinrichtung zum Zurückhalten von radioaktiven Spaltprodukten und insbesondere eine Einrichtung, welche es gestattet, Spaltprodukte zurückzuhalten, die in einem nicht-festen Stoff enthalten sind, der einen Kernreaktor durchlaufen hat. Dieser nicht-feste Stoff kann ein Kühlmittel sein, welches den inneren Kern des Reaktors durchläuft, oder ein Stoff sein, der die in dem inneren Kern, des Reaktors in Erscheinung tretenden Spaltprodukte mit sich fortführt (z.B. ein Reinigungsgas der Spaltprodukte) oder auch ein Gas sein, welches dazu dient, Spaltprodukte aus einer Flüssigkeit zu extrahieren, welche diese Produkte mit sich führt·

Bekannt ist es bereits, die in einer gasartigen Atmosphäre enthaltenen Spaltprodukte dadurch hinwegzuführen, daß man diese Atmosphäre durch eine ein Fangmittel bildende Absorptionschicht hindurchgehen läßt. Damit aber das Absorptionsvermögen der Fangeinrichtung gegenüber gewissen Arten von Spaltprodukten,

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insbesondere dem Xenon und Krypton, ausreichend ist, ist es erforder-lich, die absorbierenden «Mittel trotz der in der Fangeinrichtung infolge des Zerfalles der Spaltprodukte freiwerdenden Wärme auf niedriger Temperatur zu halten. Wenn die Trägeratmosphäre ein Gas mit aehr niedriger Siedetemperatur ist (beispielsweise Helium), besteht ein bequemes Verfahren, die absorbierenden Mittel zu kühlen, in der Verwendung von flüssigem Stickstoff, der unter der Wirkung der durch den Zerfall freiwerdenden Wärme kocht und verdampft.

Handelsüblicher flüssiger Stickstoff enthält immer Sauerstoff, Da dieses Gas um ein geringes weniger flüchtig ist als der Stickstoff, neigt es dazu, sich in dem .Bereich der Fangeinrichtung, wo sich die Verdampfung des Stickstoffes vollzieht, d.h. um die Fangeinrichtung herum, anzusammeln« Nun bringt das erhöhte Niveau der Radioaktivität in der Fangeinrichtung die Gefahr mit sich, daß Ozon und andere von dem solchermaßen konzentrierten Sauerstoff ausgehende, labile Verbindungen entstehen, woraus sich eine Explosionsgefahr ergibt. Ebenso muß man den Vorteil in Betracht ziehen, den es aus Sicherheitsgründen bedeutet, wenn man den Inhalt (und insbesondere die radioaktiven Spaltprodukte) in einen doppelwandig umgrenzten Raum einschließt. Alle diese Erwägungen führen dazu, sich eines Siede/Kondensator-Kühlmittelkreises zu bedienen, in welchem der Stickstoff in geschlossenem Kreislauf zirkuliert, während der Kondensator durch ein Kühlmittel gekühlt wird, welches in einem offenen Kreislauf zirkuliert·

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Die Erfindung schlägt zu diesem Zwecke eine Fangeinrichtung zum Zurückhalten von in einem Trägermittel enthaltenen radioaktiven Spaltprodukten vor, bei der ein absorbierendes Material und eine Einrichtung zum Inumlaufsetzen des Mittels durch dieses Material hindurch vorgesehen sind, und zeichnet sich durch Mittel zum Übertragen der Wärme des Materiales an ein kondensierbares Gas aus, welches in einem geschlossenen Kreis zirkuliert, der einen außerhalb des radioaktiven Bereiches gelegenen Wärmeaustauscher für die Kondensation des Gases aufweist.

Bei einer speziellen Ausführungsform, die zur Behandlung einer gasförmigen, Spaltprodukte enthaltenden Atmosphäre bestimmt ist, weist die Fangeinrichtung mit einem Absorptionsmittel (beispielsweise Holzkohle) beschickte Rohre auf, durch die man das mit Spaltprodukten beladene Gas hindurchtreten läßt. Diese Rohre sind von einem Raum umschlossen, der in einem Umlaufkreis flüssigen Stickstoffes liegt und der dazu bestimmt ist, daß dieser Stickstoff die Wärme aufnehme, die von den mit dem absorbierenden Mittel gefüllten Rohren abgegeben wird, Die Fangeinrichtung ist vorteilhafterweise unterhalb des Niveaus des Bodens angeordnet und von einer biologischen Schutzabschirmung überragt. Diese letztere ist von auf- und absteigenden Leitungen für die Versorgung mit flüssigem Stickstoff und das Abführen von flüssigen und/oder gasförmigem Stickstoff durchdr-ungen« Oberhalb der biologischen Schutzabschirmung schließt sieh der Stickstoffkreis durch eine Kondensationsschlange, welche die auf— und absteigenden Leitungen miteinander verbindet· Diese

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Schlange ist in einen Behälter untergetaucht, der von flüssigem Stickstoff im offenen Kreis durchlaufen wird. Die Schlange und der Behälter bilden somit einen Wärme-Zwischenaustauscher. Das Gas, welches von dem Sieden des Stickstoffes in dem Behälter herrührt, wird durch einen geeigneten Luftabzug nach der Atmosphäre zum Abgang gebracht. Da dieser !eil des Strömungekreises außerhalb der radioaktiven Strahlung untergebracht ist, muß der geschlossene Kreis flüssigen Stickstoffes zwischen den Bereichen, wo sich das Sieden bzw« das Kondensieren vollziehen, verhältnismäßig lange Verbindungen aufweisen.

Da sich das An-die-Oberfläche-steigen der Gasblasen beim Sieden durch die Flüssigkeit hindurch und deren Freiwerden an der Oberfläche nur in beschränktem Ausmaße vollziehen kann, besteht in dem Verdampfungsteil des Kreislaufes die Gefahr eines mit einem Fortschleudern von Partikelchen verbundenen, turbulenten Siedens· Dieses turbulente Sieden würde in der aufsteigenden, zu dem Kondensator führenden Leitung das Austreiben einer Flüssigkeits/Gas-Emulsion hervorrufen, Der natürliche Siede/Kondensations-Kreis könnte dann, mit dem Ergebnis einer nicht mehr ordnungsgemäßen Kühlung und eines Druckanstieges in dem geschlossenen Kreis gestört werden. Die Erfindung schlägt, wie dies späterhin noch ersichtlich werden wird, Vorkehrungen vor, welche diese gefahr herabsetzen.

Ein Vorteil des Systems des Kühlens in geschlossenem Kreis, wie es vorstehend näher definiert wurde, besteht darin, daß es gestattet, eine entwichene Menge radioaktiven ü-ases in dem Kühl-

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syatem zurückzuhalten, indem man den Behälter, wo daa Sieden des Stickstoffea vor aich geht, so konstruiert, daß er den, der das absorbierende Material aufnimmt, vollkommen umschließt. Auf diese Weise bildet das System des geachlossenen Kühlmittelkreises für die mit dem absorbierenden Mittel gefüllten Eohre, wo sich radioaktives Gas bildet, eine zweite räumliche Umschließung.

Die Gefahr.einer Störung in der Versorgung des Kondenaatora mit flüssigem Kühlungs-Stickstoff vorausbedenkend, muß für diesen geschlossenen Kreis ein Druckentspannungssystem vorgesehen sein, damit die vollständige Verdampfung des Stickstoffes, den dieser enthält, nicht einen übermäßigen Druckanstieg hervorrufte

Jedes Entweichen von Helium oder eines anderen Trägergases von den das absorbierende Material enthaltenden Elementen her nach dem geachlossenen Kreis hin bedeutet die Gefahr, daß die Zirkulation gestört wird und bedeutet, daß die Gefahr einer nicht zur rechten Zeit erfolgenden Kondensation des Stickstoffes das Wirksamwerden der Entleerungseinrichtung bedingt» Der Vorteil der doppelten räumlichen Umschließung kann nur unter der'Bedingung materialisiert werden, daß ein geschlossener Entleerungsbehälter für das System, vorgesehen wirdo Dieser Behälter muß ein Volumen aufweisen, welches ausreichend ist, der Gesamtmenge des Stickstoffes das Verdampfen zu gestatten und ihr Aufwärmen auf die Umgebungstemperatur ohne das Inerscheinungtreten eines Überdruckes zu erlauben. Um die Abmessungen und die Kosten dieses Behälters herabzusetzen, ist es also außerordentlich wünschenswert, die Menge des in dem geschlossenen Kühlkreis enthaltenen flüssigen

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Stickstoffes auf ein Minimum zu begrenzen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Fangeinrichtung für Spaltprodukte ein geschlossenes Kühlsystem auf, welches als Kühlmittel ein verflüssigbares Gas verwendet, dessen Zirkulation zwischen einem Siedeabschnitt in der Nähe des absorbierenden Materiales und einem außerhalb der Strahlung der Spaltprodukte gelegenen Kondensatorabschnitt bewirkt wird, wobei das absorbierende Material in wenigstens einem senkrechten Rohr im Inneren einer Ummantelung angeordnet ist, die um die Leitung herum einen engen, senkrechten Durchlaßgang umgrenzt, und Mittel vorgesehen sind, das untere Ende des Durchlaßganges in das im Flüssigkeitszustand befindliche Gas eingetaucht zu halten sowie das obere Ende des Durchlaßganges, an welchem der gasförmige Zustand besteht, mit der Kondensationszone zu verbinden»

Das untere Ende der Durchlaßgänge ist vorteilhafterweise in das in dem flüssigen Zustand befindliche Gas eingetaucht, während ihr oberes Ende mit einem freien Raum oberhalb der freien Oberfläche des verflüssigbaren, im Flüssigkeitszustand befindlichen Gases in Verbindung steht. Der Siedeabschnitt arbeitet in diesem Falle nach dem Verdampfungsprinzip eines "hochkletternden¹¹ Verdampfungsfilmes, gemäß welchem das Beheizen des in dem flüssigen Zustand befindlichen Kühlmittels ein Flüssigkeits-Dampfgemisch oder eine Emulsion solcher Art entstehen läßt, so daß die .Blasen bei ihrem Aufsteigen längs der Durchlaßgänge einen Flüssigkeitsschaum mithochnehmen, der ausreicht, durch Ver-

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dampfen die gesamte zu kühlende Oberfläche zu kühlen.. Sas Aufsteigen des Schaumes, der weniger dicht ist als das (ras im Flüssigkeit szustand, ist durch den Druck sichergestellt, der auf dem Gras in diesem Flüssigkeitszustand ruht·

Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung einer Fangeinrichtung noch deutlicher, die als ein die Erfindung nicht beschränken sollendes Ausführungsbeispiel eine Verwirklichungsmöglichkeit der Erfindung aufzeigt.

Die Beschreibung nimmt auf die beigegebene Zeichnung Bezug, deren einzige Figur in schematischer Form das System der Kühlung in einem geschlossenen Siede/Kondensator-Kreis vor Augen führt, wobei die Zeichnung in einem der Achse folgenden Schnitt den den Siedeteil enthaltenden und umschließenden Druckraum zeigt·

Das dargestellte Siede/Kondensator-System für ein verflüssigbares Gras (beispielsweise Stickstoff) weist eine druckfeste Raumumgrenzung 1 auf. Der flüssige Stickstoff wird in diese Eaumumgrenzung oder diesen .behälter 1 durch eine absteigende Leitung 2 eingelassen· Der gasförmige Stickstoff, der aus dem Sieden in dem Behälter 1 herrührt, wird durch eine aufsteigende Leitung 3 in eine Kondensatorschlange 4 eingelassen. Die Schlange wird durch einen offenen, flüssigen Stickstoff führenden Kühlkreis gekühlt, der in einen Behälter 5 ausmündet, welcher durch eine Leitung 6 mit flüssigem Stickstoff versorgt wird. Das kondensierte Gas fließt nach dem Behälter 1 hin durch die absteigende Leitung 2 ab.

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Das behandelte Gas, wie beispielsweise Helium, welches Spaltprodukte transportiert, wird in einen in dem Behälter 1 Yorge-

sehenen Eeilaßsammler 7 eingelassen· Nach diesem Sammler hin öffnen sich eine Reihe von senkrechten Säulen 8, die von einer Abschlußplatte des Sammlers getragen werden» Diese Säulen sind mit einem absorbierenden Material 9 beschickt, welches dazu bestimmt ist, die in dem Helium enthaltenen Spaltprodukte zu absorbieren. Das obere Ende der Säulen 8 ist geschlossen, und das Helium, welches durch absorbierende Mittel hindurchgetreten ist, kommt durch die leitungen 10 in absteigender Richtung in dem Inneren der Säulen 8 wieder herunterο Die Leitungen 10 durchqueren den Einlaß-Sammler 7 und münden, in einen Auslaßsammler 11 ein, der den Bodenteil des Behälters 1 ausmachte

Der Auslaßsammler 11 ist mit einem Entleerungsstutzen 12 versehen, durch welchen das Helium zu einem anderen Reinigungsapparat abgeht oder zu dem Hauptkühlkreis des Reaktors zurückkehrt·

Der Zerfall der von dem absorbierenden Mittel in den Säulen 8 zurückgehaltenen Spaltprodukte vollzieht sich unter einem Freiwerden von Wärme in diesen Säulen· Diese Wärme wird durch das Zum-Sieden-kommen des flüssigen Stickstoffes in dem Behälter 1 gebunden. Um die Bildung eines Schaumes oder einer Emulsion des Stickstoffes zu verhüten, der bzw. die den Behälter 1 und einen Teil der an ihn angeschlossenen, aufsteigenden Leitung 3 anfüllen und die natürliche Zirkulation in dem ganzen geschlossenen Kreis stören würde, wird das Niveau des flüssigen Stickstoffes in dem Behälter 1 gerade etwas über dem unteren, offenen Ende von engen

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Durchlaßgängen 13 liegend gehalten, welche um die Kühlflächen herum herausgebildet sind. So werden dieae Oberflächen durch Verdampfen eines "hoehkletternden" Filmes gekühlt. Diese Durchlaßgänge werden von äußeren Ummantelungen 14 umgrenzt, deren offenes, unteres Ende in den flüssigen Stickstoff eintaucht und deren oberes Ende sioh nach dem freien Saum 15 hin öffnet, der von dem Stickstoff im gasförmigen Zustand eingenommen wird·

In Betriebe wird der in dem Behälter 1 enthaltene flüssige Stickstoff um die unteren Teile der das absorbierende Material enthaltenden Säulen 8 herum erhitzt und liefert demzufolge eine Flüssigkeits/Dampf-Emulsion. Dieses Gemisch von Blasen und Dampf steigt gegen die Oberfläche hin durch das unten offene Ende der Ummantelungen 14 auf und dringt in die für ein Zurückhalten des Scha-urnes ausreichend eng bemessenen Durchlaßgänge 13 ein. Da die spezifische Masse des Schaumes erheblich geringer ist als die des flüssigen Stickstoffes, drängt der Druck, der auf die freie Oberfläche des im flüssigen Zustand befindlichen Stickstoffes einwirkt, den Schaum in die Durchlaßgänge 13. Im Laufe seines Aufsteigens nach der höchsten Stelle der Durchlaßgänge hin kühlt der Schaum die Oberfläche der Säulen 8 ständig längs derselben mit fortschreitender Verdampfung. Der freie Raum 15 gestattet dem Gas, welches an der höchsten Stelle der Ummantelungen entweicht, die aufsteigende Leitung 3 zu durchströmen, während die noch mitgeführte Flüssigkeit zu dem anderen, noch in flüssigem Zustand befindlichen Gas zurückkehrt.

Der in den Behälter 5 eingeführte, flüssige Stickstoff siedet bei

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atmosphärischem Druck bei -196° C. Die einigen Grade Unterschied, die notwendig sind, um den Wärmeaustausch durch die Schlange 4 zu bewirken, sind dadurch sichergestellt, daß der geschlossene Kreis unter einen leichten Überdruck gesetzt wird, damit der Stickstoff dort bei einer Temperatur siedet, die um ein geringes über -196° C liegt. Der in der Schlange des -geschlossenen Kreises kondensierende Stickstoff kehrt, indem er infolge Schwerkraft durch die Leitung 2 abfließt, in den Behälter 1 zurück.

Es ist leicht einzusehen, daß man auch andere als die beschriebenen Mittel verwenden kann, um eine Kühlung durch einen kletternden Film, d.h, durch eine dünne verdampfungsfähige Emulsionsschicht zu erzielen, die längs einer Wandung hochsteigt· Das Aufsteigen des Schaumes kann sich beispielsweise in engen Rohren vollziehen, die von dem die Wärme erzeugenden Absorptionsmaterial umgeben sind» Das obere Ende dieser Rohre ist dann an einen Sammler angeschlossen, und die Flüssigkeit wird einem Einspeisungssammler unterwärts der Rohre durch andere Rohrleitungen von größerem Querschnitt wieder zugeführt, während der Gasauslaßsammler an die aufsteigende Leitung angeschlossen ist.

Die beschriebene Anordnung vermindert die Gefahr einer Mitnahme

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von Schaum flüssigen Stickstoffes bis in die aufsteigende Leitung hinein und dementsprechender Störungen in dem Zirkulationskreislauf. Da in einem geschlossenen Kühlkreis eine merklich geringere Stickstoffmenge genügt, sobald man nicht mehr das einen

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kletternden Film anwendende Kühlverfahren benutzt, gestattet die Kapazität des geschlossenen Behälters jetzt außerdem, daß die eventuelle Druckentspannung dementsprechend geringer sein kann·

Man kann den Druck, der in dem geschlossenen System herrscht, dazu benutzen, die Temperatur zu messen, die in dem Kühlbehälter der Fangeinrichtung herrscht und sogar als einen Parameter zum Steuern eines automatischen Temperaturregelsystemes für die Fangeinrichtung nutzbar machen, wenn eine Temperatur über -196° C liegend angestrebt wird· Diese Steuerung kann beispielsweise durch Mittel sichergestellt werden, welche die wirksame Wärmeaustauschfläche in dem Zwischenwärmeaustauscher (Schlange 4) verändern·

Der geschlossenen Kreis flüssigen Stickstoffes der beschriebenen Art ergibt eine doppelte räumliche Umschließung für die die Spaltgase enthaltenden Rohre und begrenzt die Menge des in dem geschlossenen Stickstoffkreis enthaltenen Sauerstoffes (Sauerstoff kann unter Strahlungseinwirkung zur Ozonbildung führen) auf jene Menge, die in dem reinen und trockenen Stickstoff enthalten ist, der in den geschlossenen Kreis eingegeben wurde.

Der geschlossenen Kreis wird zu Beginn über einen zur Sauerstofffestlegung geeigneten Apparat mit Stickstoff in gasförmigem, sehr reinem und trockenen Zustand gespeist. Der gasförmige Stickstoff kondensiert in der Schlange in dem Maße, wie er eingeführt wird. Das Füllen wird bis zum Erreichen eines geeigneijferscheinenden

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JNiveaus fortgesetzt. Um den Stand flüssigen Stickstoffes in dem Behälter anzuzeigen, ist eine Meßeinrichtung vorgesehen.

Falls die Versorgung des offenen Kreises mit flüssigem Stickstoff aufhört, muß, um einen übermäßigen Druckanstieg zu verhüten, der geschlossene kreis entspannt werden. Zu diesem Zwecke steht der geschlossene kreis über ein geeignetes, nicht dargestelltes (vorteilhafterweise parallel zu einer Bruchscheibe angeordnetes) Ventil mit einem Behälter aus nicht-oxydierbaren Stahl in Verbindung, dessen Abmessungen ausreichen, den Inhalt des geschlossenen Kreises nach dessen Verdampfen ohne einen übermäßigen Druckanstieg aufzunehmen.

Patentansprüche:

Krs/Sö

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Claims (1)

1. Patentansprüc

   Fangeinrichtung zum Zurückhalten von in einem Trägermittel enthaltenen radioaktiven Spaltprodukten, mit einem absorbierenden Material und einer Einrichtung zum Inumlaufsetzen des Mittels durch das genannte Material hindurch, gekennzeichnet durch einen thermischen Austauscher zwischen dem Material (9) und einem kondensierbaren Gas, welches in einem geschlossenen Kreis (3,4,2,1) zirkuliert, der einen außerhalb des der Radioaktivität der Spaltprodukte unterliegenden Bereiches angeordneten thermischen Austauscher (4) zur Kondensation des Grases aufweist.

   Fangeinrichtung nach Anspruch 1,. dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Kreis (3»4,2,1) von der Art eines Siede/Kondensator-Kreises ist und einen Siedeabschnitt (10,13,14) in der Nähe des absorbierenden Materiales (9) sowie einen Kondensatorabschnitt (4) für das Gas aufweist, der mit dem vorhergenannten Abschnitt durch auf- und absteigende Leitungen (3,2) verbunden ist.

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   FERNSCHREIBER: O1S 4Οβ7

   Fangeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absteigenden Leitungen (2) so angeordnet sind, daß sich die Rückkehr des verflüssigten Gases von dem Kondensatorteil (4) zu dem Siedeteil (10,13,14) durch einen durch Schwerkraft bewirkten Ablauf vollzieht.

   • Fangeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Anordnung, die dazu dient, den Siedeteil auf enge Durchlaßgänge (13) um die das absorbierende Material (9) enthaltenden Säulen (8) herum zu begrenzen.

   • Fangeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die engen Durchlaßgänge (13) an ihrem unteren Heil an eine Stelle gemeinsamer Versorgung mit verflüssigtem G-as angeschlossen sind.

   Fangeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Siedeteil (10,13,14) und der Kondensatorteil (4) durch einen biologischen Schutzschirm voneinander getrennt sind, der von den auf- und absteigenden Leitungen (3,2) durchquert wird.

   . Fangeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-

   kennzeichnet, daß der Siedeteil (10,13,14) einen druckfesten Behälter (1) aufweist, mit einer Reihe von Säulen (8) ausgestattet ist, die nach Sammlern (7) hin offen sind und das absorbierende Material (9) enthalten, wobei um die Säulen (8) herum TJmmantelungen (14) enge Durchlaßgänge (13) begrenzen,

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   deren, unterer Teil in u&a verflüssigte Gas eintaucht, während deren oberer Teil mit dem Teil (15) des Behälters (1) kommuniziert, in welchem das Gas den gasförmigen Zustand aufweist und der mit aufsteigenden Leitungen (3) in Verbindung steht.

   Krs/Sö

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