DE1464580A1

DE1464580A1 - Brennstoffelement mit verbesserter Diffusionsschranke fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1464580A1
Application number: DE19631464580
Authority: DE
Inventors: Lucien Alfille; Francesco Brossa; Roger Theisen
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1962-11-16
Filing date: 1963-11-15
Publication date: 1969-03-13
Also published as: SE314449B; BE624942A; ES292915A1; LU44587A1; GB1057857A; US3291700A; NL300415A; OA00648A; IT666942A

Description

Brennstoffelement mit verbesserter Diffueionssohranke

für Kernreaktoren.

Die Erfindung betrifft Brennstoffelemente für Kernreaktoren mit metallischem Brennstoff aus Uran oder Uranlegierungen oder Keramik-Brennstoff, insbesondere für durch einen unter Druck stehenden V/ärmeträger gekühlte Leiatungsreaktoren, das im wesentlichen zwischen dem spaltbaren Brennstoff in Form von Metall- oder Kt;ramikatuben oder -platten oder von aufeinander gestapelten Metall- oder Keraiaiktabletten und der Schutzhülle aus mit dem Brennstoff diffundierendem Material, und zwar Aluminium, Zirkonium oder Legierungen aus diesen Stoffen, eine Diffusionssohranke enthält·

Bekanntlich beobachtet man bei Kernreaktoren, selbst bei verhältniamäasig niedrigen Temperaturen (von 200 bis 25O⁰Q), daa Phänomen einer Interdiffuaion zwischen dem oder der den. spaltbaren Brennstoff der Brennstoffelemente bildenden Uran bzw. dessen Legierung und dem Aluminium oder seinen Legierungen

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den sonatigen Stoffen, die die Hülle zum Schütze gegen die Korroaionswirkung dea Kühlmittels bilden.

Im nachstehenden wird der beaondere Fall der Verwendung von Aluminium angenommen, wobei jedoch selbstverständlich ist, dass aich die Erfindung auf aätmiiche Umhüllungsstoffe, wie beispielsweise Zirkonium und eeine Legierungen, bezieht, die mit dem Brennstoff diffundieren.

Desgleichen ist hiuaichtlich der Art des Brennstoffes die ausdrückliche Bezugnahme auf Uran für diesen Stoff nicht beschränkend, da sich die Erfindung auch auf andere Brennstoffe als Uran und seine legierungen, beispielsweise auf Iceramische Brennstoffe, bezieht.

Die mit erheblicher Geschwindigkeit stattfindende Interdiffusionserscheinung, die durch eine vermehrte Diffusion aus dem Uran in das Aluainium gekennzeichnet ist, führt nach der Bildung von allgemein sehr zerbrechlichen Verbindungen zu einem schnellen Zerfall der Hülle, der zu der Zerstörung der Dichtheit des Brennstoffelements an den Spaltprodukten und zur Korrosion des Urans durch das Kühlmittel führt.

Zur Behebung dieses Mangels hat man versucht, diese Erscheinung zu verhüten entweder durch Änderung der Zusammensetzung der mit dem Uran, in Berührung stehenden Aluminiumlegierung, beispielsweise durch Verwendung des Eutektikums Al-Si als Umhüllunga-

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material, oder durch. Einsetzen eines Schutzmittels zwischen dem Brennstoff und der Hülle, das, indem es zwischen dem Uran. und dem Aluminium eine Grenze bildet, die Interdiffusion zwischen diesen beiden Stoffen selbst bei hohen l'emperaturen und während der gewünschten Betriebszeit des Brennstoffelements in dem Reaktor zum Stillstand bringen oder hemmen kann..

Bekanntlich erzielt man die Herstellung dieser Diffusionsschrantoe zwischen Brennstoff und Hülle gemäss den üblichen Verfahren entweder durch Schaffung einer mittels Oxydierung der Oberfläche des Brennstoffes oder der Hülle enthaltenen dünnen Keramikschicht oder mittels auf chemischem oder elektrochemischem Wege bewirkter Ablagerung oder durch Aufdampfung einer dünnen Metallschicht - eines .Metalls, wie beispielsweise Wickel, Niobium, Chrom, Vanadium oder einer Legierung - oder einer binären oder ternären Mischungsschicht dieser Stoffe auf die Oberfläche des Brennstoffs, wobei diese Metallschicht durch gleichzeitige Diffusion die beiden Bestandteile, d.h. den Brennstoff und die Hülle, sehr oft mit Hilfe des Erwärmung und unter hydrostatischem Druck durchgeführten Umhüllungsvorgangs miteinanuer verbindet.

Der Hauptnachteil, den die so erhaltenen Diffu3ionsschranken aufweisen, besteht darin, dass die Schutzschicht brüchig sein oder bei Oxydschichten abblättern oder bei Metallsciiichten infolge Verformungen des Brennstoffes und der Hülle einen örtlichen Fehler aufweisen kann, was in einem Ioi3tungsreaktor dazu führen kann, daas die Sicherheit der üreni;3toffeleinente in Frage ge-

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Es ist nämlich bekannt, dass die Wirkung dieser Diffusionsschranken hinsichtlich einer sicheren Sperre, beispielsweise der Üran-Aluminium-Diffusion, so dass sie während der gesamten gewünschten Betriebszeit des Brennstoffes in dem Reaktor gewähr-r . leistet werden kann, auf dem stiäkten Beibehalten der konstanten Dicke dieser Schutzschichten beruht, wobei diese ^ldke durch die Diffusionsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Temperatur bestimmt wird.

Ausserdem beruht die Sicherheit der nach den bisher bekannten Verfahren hergestellten Diffusionsschranken auf G-rund der Art der Schutzschichten ausschliesslich auf der Überwachung ihrer G-üte, die notwendig geworden ist, um zu gewährleisten, dass die erhaltene Verkleidung &ut haftet und kompakt ist sowie an jeder beliebigen Stelle die gleiche Dicke aufweist. Selbst ein stellenweises Versagen würde nämlich infolge der Verwendungsbedingungen des Brennstoffes in u.em Heaktor nach eiuer bestimmten Zeit zum Zerreissen der Hülle führen. Diese Überwachungsnotwendi^keit verringert die Betriebssicherheit solcher Diffusionsschrankeη und führt folglich zur Verwendung von erueblich stärkeren Schichtaicken als sie nach den theoretischen Erfordernissen notwendig aind. Diese allgemein aus neutronenabaorbierendem Material hergestellten dicken Schichten belasten die Heutronenb'konomie.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der !atsache, dass die notwendige Strenge der Überwachung bei der Serienfertigung zu erheblichen Ausschusszahlen führt.

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Auaaerdem ist bei tablettenfürmigen Brennstoffen, inabesondere aua Kerakikmaterial, die Anwendung der herkömmlichen Verfahren viel schwieriger als bei zylindrischen Brennstoffstäben unter Berücksichtigung der Satsache, dass entsprechend der Art der Keramikstoffe (Porosität, Keramik-Metall-Ü-Lachung usw.) neue Mechanismen hineinapielen.

Ein weiterer noch schwerwiegenderer Mangel wirtschaftlicher Art betrifft die Herstellung der üblichen ßifi'usionsschranken auf Grund der Tatsache, dass sie Techniken erfordern, die den Herstellungspreis erheblich steigern.

Kosten für die Zurichtung der Oberflächen der Uranstäbe, die mit verhältnismässig kostspieligen Techniken, wie dem Aufdampfen im Vakuum, der elektrochemischen oder chemischen Beschichtung, zusammenhängen, haben nämlich einen bedeutenden Einfluss sowohl auf die Investierungskosten für die Fabrikationseinrichtungen als auch auf den Preis des eigentlichen Beschichtungsvorgange.

Dazu kommt noch der Preiaaufschlag infoge der Notwendigkeit, dass zur Durchführung einer genauen Kontrolle der örtlichen GKit# der Schutzschichten empfindliche und genau arbeitende Geräte vorgesehen werden müssen.

Die Erfindung hat ein Brennstoffelement zum Gegenstand, das eine Diffusionsschranke von neuartiger und einfacher Bauweise enthält,

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die die den bekannten Diffusionsschranken eigenen Mängel beseitigt, indem man eine äusserat wirksame mechanische Herstellungstechnik von bequemer Überwachbarkeit und wirtschaftlicher Durchführbarkeit zu Hilfe nimmt.

Da3 Hauptziel der Erfindung ist die Herstellung eines wie vorstehend erörterten Brennstoffelements, das, indem es eine Diffusionsschranke enthält, die mit Hilfe einer Ummantelung aus einem sehr dünnen Band aus otoffen mit antidiffundierenden Eigenschaften erzielt wird, entweder von der Bauart mit gebundener Umhüllung mit Brennstoff in ^'orm eines glatten Stabes oder eines Stabes mit Auskehlungen für die Verankerung der Umhüllung oder von der Bauart mit freier Umhüllung mit Brennstoff in 3?orm von Metall- oder Keramik-Tabletten sein kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin* dass sie zur Herstellung der gegen die Diffusion beständigen Schranke für ein solches Element die Verwendung von sonst unbrauchbaren oder nach den bekannten üblichen Verfahren auf elektrochemischem oder chemischem Wege oder mittels Aufdampfung unmöglich erzielbaren Stoffen oder Legierungen vorsieht.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung eines solchen Elements, dessen mit Hilfe einer aufeinanderfolgenden Ummantelung mit Bändern unterschiedlicher Art erzielte Diffugionsschranke das Erzielen von den Diffusionsachranken nach den bekannten Verfahren gleichwertigen oder im Verfahren zu ihnen

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besseren "binären oder ternären Diffuesionsachranken oder Sogar Kombinationen ermöglicht, die iait den Techniken chemiaeher oder elektrochemischer Art unmöglich erzielbaren Schutzschichten gleichwertig sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass sie für ein solches Element chemische oder metallurgische Behandlungen der Oberflächen der die Diffuaxonsachranke bildenden Bänder in der Weise vorsieht, dass auf der Oberfläche der Bänder Körper oder Verbindungen eingelagert werden kömien, die die Sperrung der Diffusion bei hoher Temperatur vermehren.

Ein noch weiteres ZJeL der Erfindung besteht darin, daas sie flir ein Brennstoffelement, dessen Diffusionsschranke aua einer Bänderummantelung besteht, die Verwendung von oberflächlich oxydierten Bändern vorsieht, um das Halten des brüchigen« oder zum Abblättern rio-igenden Oxyds tait Hilfe der durch das iietallband gebildeten Stütze zu gewährleisten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung beateht darin, dass sie für ein Brennstoffelement, dessen Diffuaionaschranke aus einer Ummantelung aus mehreren Bände rs ciiichten besteht, die Verwendung dieser Schichten als Stütze für dünne Materialdicken mit niedrigem Schmelzpunkt vorsieht, um zusätzlich zu der Diffusionsschranke eine bessere Wärmeübertragung zu bewirken·

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren_f durch daa eich auf einem Brennstoffelement für Kernreaktoren eine die Diffuaionssohranke mittels einer Ummantelung aus dünnen Metallbändern bildende Schutzschicht herstellen läset· . .

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht achlieaslioh darin, dass sie zur Herstellung der Diffusionsachranke eines aolohen Brennstoffelemente von der Bauart mit freier Hülle die Herstellung von Vorrichtungen zur Durchführung des Bewiokelns der Brennstofftabletten mit dünnem Metallband vorsieht·

Das Brennstoffelement nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Diffuaionsschranke eine Verkleidung ist, die aus einem sehr dünnen Band aus zum Hemmen der Diffusion geeignetem Material besteht, das, indem es zum Erzielen der bestimmten Schrankendiohte zwisohen Hülle und Brennstoff bei zu seinem ortsfesten Halten vorgesehenen Mitteln in der erforderlichen Menge um den Brenneoff gewickelt wird, auf der Ausseheeite dee Brennstoffe eine durchgehende Abdeokung in der Weise bildet, dass die Verkleidung vor dem Einführen der Brennstoff ladung dee Brennstoffelement· in die Sohutihülle eine die Ladung oder einen Teil von ihr mindestens auf der Seitenfläche dee Brennstoffe ummanteln de nachgiebige Hülle bildet.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind dl« Indabaohnitte der Brennstoffladung des Brennstoffelements oder eines Teilte

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von ihr durch mindestens einen Teil dea oder der über die Enden hinaue vorstehend aufgewickelten Bänder mit zylindrischem. Querschnitt verkleidet, der auf die Enden umgelegt oder zurückgeklappt ist, wobei die umgelegten Abschnitte durch nach einem bekannten Schweiss- oder einem beliebigen metallurgischen '. Bindeverfahren durchgeführte Veraohweissung aneinander befestigt sind.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Endabsohnitte der Brennetoffladung des Elements oder eines Teiles von ihr mittels einer auf die Höhe der Enden endende seitliche Verkleidung aufgeschobenen Kappe aus dem gleichen Material wie dem des Bandes verkleidet sind, wobei die Kappe auf der Verkleidung duroh nach einem bekannten Schweiss- oder einem beliebigen metalltigiachen Bindeverfahren durchgeführte Versohweissungen ihres seitlichen Bundringes befestigt ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten, beispielsweise jedoch nicht beschränkend einige ihrer Ausführungeformen darstellenden Zeichnung näher erläutert* Es zeigern

Fig. 1 und 2 je einen achematischen Längsschnitt duroh zwei Brennstoffelemente mit mit Auskehlungen versehenem bzw. gl; ttea Uranatab, die mit einer gemäss der Erfindung hergestellten Diffusionsachranke versehen sind, vor der hydrostatischen Umhüllung,

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Pig. 3 das Element nach. Pig. 1 nach dem hydrostatischen Umhüllungsvorgang ,

Pig. 4 und 5 zwei Anordnungen des schraubenlinienförmigen Aufwickeins des Bandes auf einen Brennstoffstab,

Pig· 6 und 7 eine andere Herstellungsform der aus Band bestehenden Schranke,

Pig. 8, 9» 10 und 11 Varianten der in Pig. 6 und 7 dargestellter Porm,

Pig.12 und 13 zwei unterschiedliche Anordnungen des Endes der Bandverkleidung und

Pig.14» 15 und 16 schematische Darstellungen von zwei verschiedenen Vorrichtungen zum Aufwickeln von Metallbändern auf aus brennstofftabletten bestehenden Einheiten.

Bei den mit einer gemäse der durch die Erfindung vorgeschlagenen Teohnik hergestellten Diffusionsschranke versehenen Brennstoffelementen nach Pig. 1, 2 und 3 sind die den Brennstoffetab 2 einschlies3ende zylindrische Hülle, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit 1, der zum Einsetzen des Brennatoffstiftes in die Halterung der aus Brennstoffstiften gebildeten Traube mit einem zentralen Zapfen 4 versehene Stopife mit 3 und die kreisrunden oder achraubenlinienfürmigen Auskehlungen, die zum Erzielen der Verankerung der Hülle auf dem

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Brennetoffstab dienen, mit 5 bezeichnet.

JSrfinaungegemäss besteht die Abschirmung zum Schutz gegen die Diffusion der Hülle 1 und dem Stab 2 aus dem Metallband 6, das auf den Stab so aufgewickel/t 1st, dass es ihn über seine gesamte Länge ummantelt·

Das Band 6 besteht aus einer dünnen Folie aus einem zum Stoppen oder Hemmen der Diffusion geeigneten Material, wie beispielsweise Nickel oder rostfreiem Stahl der Type 18/8, die entsprechend der Art des Materials mit einer Höhe vom 50 mm bei einer zwischen 0,01 mm und 0,005 oder 0,002 mm liegenden Mindestdioke hergestellt werden kann* Diese Folie wird auf den Stab aufgewickelt, bis sie «ine Söhrankendioke bildet, wie sie zur Schaffung einer wirksamen Schranke gegen die Diffusion zwischen dem Brennstoff und der Hüll« gerade erforderlich und ausreichend 1st·

Die zur Herstellung des Bandes 6 verwendbaren Stoffe sind sehr unterschiedlich, wobei als Beispiel Nickel, Vanadium, Titan, Zirkonium, Tantal, Beryllium, Niobium, Eisen und rostfreier Stahl genannt werden können.

Zum Gewährleisten der Kontiunität der Verkleidung an der Oberfläche des Stab·« wird das Band 6 auf diesen schraubenlinienförmig in der Weise aufgewickelt, dass jede Bioh, wie aus Fig. 1,2,3 und 4 ersichtlich, auf die vorgehende Windung legende

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Windung dee Bandes eine Überlappungszone bildet*

Zum Bewirken des ortsfesten Haltens der Wicklung werden sie übereinanderliegenden Abschnitte des Bandes an den Enden des Stabes mit Hilfe von Sohweisszonen 7 befestigt, während unter Beibehaltung einer gewissen Nachgiebigkeit der Verkleidung sogar Über die gesamte Länge des BrennstoffStiftes Schweiaszonen 8 verteilt sein können·

Diese Sohweisszonen können entweder Schweisapunkte, -linien oder -flächen sein, die man mittels Sohweiaaung, beispielsweise Elektrosohweissung, Ultrasohallschweissung oder metallurgischer Bindung (Diffusion! Lötung usw·) erzielt*

Bei den Ausfuhrungeformen naoh Pig. 1 und 3» sind das Profil der Auskehlungen 5 sowie die Ecken der Endabschnitte θ dee Stabes 1, um EU verhindern, dass während des hydrostatischen Umhullungavorgangee ein Zerreissen des Bandes 6 entsteht, in der Weise abgerundet, dass sie keine soharfen Kanten aufweisen·

Naoh der in Fig. 5 dargestellten Aueführungeform wird die die Diffuaionaβohranke bildende Verkleidung auf dem Stab mit Hilfe von zwei Bändern 9 und 10 erzielt, die mit aneinander anstosaenden bündigen Bädern in einander entgegengeaetatea Riohtungen schraubenlinienförmig auf den Stab gewickelt sind«

Bei dieser Lösung wird die Kontinuität der Verkleidung durch das Versetzen des Aufwiokelne des oberen Bandes 10 bewirkt> das so

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durchgeführt wird, daea das Schneiden oder Überdecken der Sugen dea unteren Bandes 9 erreicht wird» während daa ortsfeste Halten des Bandes mit Hilfe der Sohweisszonen 1 durch Befestigen in der Bähe des Stabes bewirkt wird.

Sine in der Zeichnung nioht dargestellte Variante dieser Ausführungafoxm unter Zuhilfenahme des Aufwickeins von zwei Bändern enthält zwei miteinander anstoaaenden (bündigen) Händern in gleicher Richtung schraubenlinienförmig aufgewickelte Bänder, die zum Erzielen des Schneidens oder Überdeokena der Fugen um eine halbe Bandbreite (» Gangbreite der Steigung der Schraubenlinie) zueinander versetzt sind· ,

In Fig. 6 und 7 lat eine andere Ausführungeform der Diffusionsschranke dargestellt. Gemäsa diesen Auführungsformen besteht die Verkleidung des Brennstoffes aus einer dünnen Metallfolie 12 mit einer etwas grösseren Höhe als der des entweder wie in 2¹Ig.6 dargestellt, aus übereinander gestapelten !Tabletten 13 oder, wie der Stab nach ^ig. 1 bis 4» aus einem einzigen zylindrischen Teil oder aus plattenförmigen Uran wie nach £*lg. 7 bestehenden Brennstoffes, die, indem sie ihrer Länge naoh aufgewickelt wird, den Brennstoff wie ein Zigarettenpapierblättohen umhüllt, wobei die Längsräder H unter leiohter gegenseitiger Überlappung angeordnet sind, auf der zum ortsfesten Halten der Sohutzabschirmung die Befestigungszonen hergestellt werden·

Gemäse einer in ^ ig. 6 veranschaulichten weiteren Variante, die aioh verwenden lässt, wenn die Breite der Bandfolie nicht aus-

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reicht zum Verkleiden der gesamten Fläohe des Brennstoffes, sind mehrere Bänder 15 in Richtung ihrer Breite nacheinander auf den Brennstoff gewickelt, wobei sloh ihre benachbarten Längsränder 16 zum Ermöglichen ihrer Befestigung gegenseitig leicht überlappen.

Bei diesen Anordnungen können mehrere Schichten aus sehr dünnen Folien zum Erzielen der gewünschten Schrankendicke, beispielsweise aus einer bis drei übereinander angeordneten Schichten, wie es beispielsweise in ^ig. 9» die sich auf die Anordnung nach Fig. 6 bezieht veranschaulicht ist, aufgewickelt werden oder die aufeinanderfolgenden Schichten 17,18,19 werden, indem die Überlappungszonen einer Schicht in Bezug auf die der anderen Schicht zueinander versetzt sind, aufeinander aufgewickelt oder, wie in ^ig. 10 dargestellt, aufgewickelt, nach der die Schichten 20,21,22 zusammen aufgewickelt sind.

In diesem Falle müssen die Bandfolien zum Verringern der lemperaturabfallwirkung an der Berührung der Bänder einem sehr weitgehenden Reinigungsvorgang unterworfen werden. Jedoch ermöglichen die zahlreichen Flächen die Erzielung eines gegenüber einer gleichen Schranken-G-esamtdloke besseren Widerstandes gegen die Diffusion aus dem Ura.n in Richtung auf das Aluminium, da die einzelnen Oberflächen der Folien zu einer Hemmung der Diffusion beitragen (Oxyde, Verunreinigungen...).

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Nach, einer weiteren, eich aus Fig. 11 ergebeneden Variante ; kann eine einfache Bandfolie 23 in ^iohtung ihrer Breite auf den Brennstoff aufgewickelt werden, so dass sie mehrere aufeinanderfolgende Windungen bildet·

Um bei der Berührung des Urans mit den Versohlußstopfen der Hülle die Kontinuität der Schranke gegenüber den Bndabschnitten des Brennstoffes su erzielen, wird die Bandverkleidung erweitert, bis sie mit ihrem Abschnitt H (s.Fig.1,2 und 3) die Stirnflächen des die Ladung des Brennstoffstifteθ oder bei Brennstofftabletten oder langen Brennstoffstiften einen Teil -von ihr bildenden Brennstoffe bedeokt.

Dies wird»wie in fig* 12 reransohaulioht, mit Hilfe der über den Endabsohnitt des Stabes oder des Tablettenstapels 13 vorstehenden zylindrischen Abaohnitte 2$ des Bandes nach Fig. 4 und der Abschnitt· 26 und 27 der Bänder 9 und 10 naoh Fig. 5 sowie des Abschnitt·» 28 naoh Fig. 6 erelelt, die nachdem sie umgelegt und auf die Stirnseite dee Brennstoffs umgeklappt sind, aneinander befestigt werden·-

Nach der In Flg. 13 veranschaulichten Variante werden die über die Stirnflächen des Brennstoffs hinaus vorstehenden Bandabschnitte abgeschnitten, worauf eine in einer dünnen Folie aus dem gleichen Material wie den des Bandes als gewölbte Kappe erzielte Muffe 29 auf die Enden des Brennstoffs aufgeschoben wird*

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Die Herstellung von binären oder ternären Diffusionsschranken lässt sich einfach erzielen, indem man die Verwendung mehrerer Metallbandsohiohten in Schraublinie oder aufeinandergewickelter ummantelnder Folie unterschiedlicher Art zu Hilfe nimmt.

Die Ausfiihrungsformen mit mehreren Shhichten aus einem Material der gleichen Art ermöglichen bei Verwendung von auf ihrer oder ihren Oberflächen oxydierten Bändern das Erhalten einer aus Metall und Oxyd bestehenden gemischten Schranke mit sehr dünnen, zwischen den Bändern eingelagerten Oxydachicnten, die für die sehr dünnen,u brüchigen und zum Abblättern neigenden Oxydschichten die Aufgabe einer Verstärkung haben*

Diese Aueführungeformen ermöglichen mit Hilfe der Ablagerung einer sehr dünnen Sohioht eines Materials mit niedrigem Schmelzpunkt auf der oder den Oberflächen des Bandes das Erzielen einer Verringerung des Wärmewiderstandes an der Kontaktstelle bei der Unterteilung der Dicke der Schranke in mehrere Schichten«

Ausserdem führt die Verwendung von chemisch oder metallurgisch behandelten Bändern, ( beispielsweise die Aufbringung eines sehr dünnen Films, Verainnung oder Verzinkung) für die Herstellung dieser Mehrfacheohiohten zu Schranken, bei denen die eingelagerten Beachiohtungastoffe die Sperrung der. Diffusion bei hoher Temperatur vermehren·

Erfindungagemäfl erfolgt die Durchführung des Bewlokelne der die Brennstoffladung oder einen Seil von ihr bildenden Tabletten

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eines Brennstoffelemente mit freier Hülle mit Hilfe der In ffig. 14 veraneohäuliohten Vorrichtung·

Zwei zueinander parallel angeordnete zylindrische Waisen 33 und 34 von denen eine angetrieben wird, sind mit einem solchen Zwischenraum angeordnet, daes die Brennstofftabletten 35 in einer durch sie gebildeten Zwisohenfurohe ruhen·

Die auf einer angelenkten schwenkbaren Vorrichtung 37 angeordnete obere Walze 36 ermöglicht das Halten der Brennstofftabletten in der Furohe mittels Federn 38·

Die drei Walzen 33t 34 und 36 sind mit einer reibenden Oberfläche beispielsweise mit einer gummiartigen Schicht» Verkleinert.

Die Brennstofftabletten 35, die durch das Walzensystem in Drehbewegung gehalten werden» werden mit Hilfe zurückziehbarer Vorrichtungen mit umlaufender Gegenspltze 39 und 40 mittels pneumatischen Druckes axial gestützt .

Das Bett 41 mit zur Aohse der Walzen paralleler Achse trägt einen verstellbaren Schlitten 42, der sich auf dem Bett mittels einer Leitspindel 43 verschieben lässt.

Der Schlitten 42 trägt die um ihre Achse frei drehbaren» das Bund enthaltenden Spulen 44»45·

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Das schraubenlinienf o'rmige Ve'rilelden der Brennstofftabletten, wird, nachdem das Band 46 vorher unter die erste c. oder ersten Tabletten eingelegt worden ist, duroh die Drehbewegung der Y/alzen 34 und 35 sowie die Versohiebebewegung des Schlittens 42 erzielt, wobei die Walzen und die leitspindel 43 miteinander kinematisch verbunden sind·

Nach Beendigung des Umwickeine mit Band und der Befestigung der Bänder werden die Enden der Bänder gegen die Stirnseiten der Brennstofftabletten umgelegt oder die Stirnseiten der Brennstofftabletten mit aus Band gebildeten Klappen bedeckt.

Eine der umlaufenden Spitzen 39 (oder 40) lässt sich aussohwingen und duroh das Umhüllungsrohr ersetzen, worauf die Ladung aus ummantelten Brennstofftabletten durch die andere umlaufende Spitze 40 (oder 39) in die Hülle hineingeschoben wird·

Nach einer anderen in. "Hg. 15 und 16 dargestellten Ausführur^B-form ist ein ausweitbarer Dorn 46 auf der Achse eines die auf verschiedenen zueinander parallelen Achsen angeordneten Bandspulen 48 tragenden Drehkranzes 47 angeordnet.

Der Dorn und der Drehkranz, die über eine kinematische Verbindungskette mechanisch miteinander verbunden sind, die eine sohraubenlinienfürmige Drehbewegung bewirkt, durch die sich der Drehkranz bei jeder Umdrehung gegenüber dem Dorn

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um oinen Schritt (Gang der Schraubenlinie) vorbewegt, ermöglichen das Umspinnen dea Dorne mit einer oder mehreren Bandeohiohten.

Ein in Verlängerung der Achse de*s Doms angeordnetes V-förmiges Bett 49 hält die Reihe aus Brennstofftabletten 50, von der ein Ende durch den auf das andere Ende einwirkenden pneumatischen Kolben 51 gegen die freie Fläche des Dorne gedrückt wird.

Die auf dem Bett axial zentrierten Brennstofftabletten. werden duroh die Klinge 52 festgehalten.

Nu.ch Durchführung des Sespinnens des Dorne mit Band wird dieser in. seinem Durchmesser reduziert und duroh den Kolben 51 verdrängt, der gleichzeitig die Brennstofftabletten in die aus Band bestehende zurückbleibende Rühre einführt·

Es sei bemerkt, dass bei der Herstellung von Diffusionsschranken das Ersetzen der nach den bekannten Verfahren durob Niederschlag oder Ablagerung auf dem Brennstoff erzielten Metallschichten duroh eine gewickelte Schicht eine erhebliche Verinfaohung der Produktion dieser Schranken ermöglicht, indem eine grössere Geschwindigkeit des lorgange und eine bedeutende Ersparnis bei der eigentlichen Produktion erzielt werden·

'Auaserdem sei bemerkt, dass die Stürabsorption einer nach

der Erfindung hergestellten Schranke zu einem vom Stand-909811/0734 '

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puhkt der Neutronenökonomie aus gesehen sehr vertretbaren Y/ert führen und bei metallischem Brennstoff auf die Dicke der Hülle eingespart werden kann, wobei die Störabsorption nur einigen Zehntelmillimetern Aluminium entspricht·

Bei einer Bandschicht aus rostfreiem Stahl mit beispielsweise einer Dicke von 0,01 mm und einer Breite von 50 mm, die bei einer Überlappung in der Grössenordnung von 1/5 der Bandbreite schraubenlinienförmig auf den Brennstoff gewickelt ist, entspricht die Störabsorption etwa der von o,2mm Aluminium·

Auoh sei bemerkt, dass bei den Formen mit mehreren übereinander angeordneten Schichten der Übergang durch Dampf während der ersten Betriebsstadien vor einer Diffusion des Bandes mit dem Uran für den Diffusionsvorgang unbedeutend bleibt.

Aueserdem ermöglichen bei Keramik-Brgnnstofftabletten die Wicklungsanordnungen des Bandes sowohl in Sohraubenlinienform als auch in Polienfona infolge ihrer Nachgiebigkeit eine Bemeeeungsanpassung, wobei sie die Aufgabe von Wärtnekontaktzwischenlagen zwischen dem Keramikmaterial und der Hülle erfüllen, wodurch die engen Masstoleranzanforderungen teilweise verringert werden*

Auaserdem sei bemerkt, dass bei dieAi Formen die die Diffusions» sohranke für die zum Laden eines Brenustoffstiftes notwendige Brennstofftablettenzahl oder für die Bruchteile dieser Zahl

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entsprechend der Unterteilung der Brennstoffladung für die längeren Brennatoffstifte bildende Verkleidung praktisch auch eine Art von Hülle bildet, die das Einbringen der Ladung an sich in die eigentliche Hülle begünstigt»

Die ummantelte Brennstofftabletteneinheit oder diese Einheiten wird bzw. werden nach ihrem Festlegen (in den Bandhüllen) durch Verschweisaang (der die Brennstofftabletten umgebenden Bänder) an den Enden oder durch Punktsohweisaung auf den schraubenlinienförmig verlaufenden Überlappungen (der Bänder aua Sohran**- kenmaterial) in einer das Aufrollen oder Ausreissen verhindernden Richtung in das an einem Ende verschlossene Umhüllungarohr eingeschoben, worauf nach dem Einbringen der Brennstoffladung (mit sie umgebender Diffusionsschranke) die Hülle normal verschlossen wird·

Die Erfindung 1st selbstverständlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Man kann daran zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vornehmen, ohne dass man dadurch den Bereich der Erfindung verlässt·

So konnte beispielsweise bei der Vorrichtung nach ^ig. 15 und 16 die aus stützendem Bett 49 und Klinge 52 bestehende Einheit aus einer V/alzeneinheit der gleichen Bauart hergestellt werden, wie sie aus den Walzen 33» 34 und 36 der Ausführungsform nach Pig. 14 gebildet iat.

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Sämtliche aus der vorstehenden Beschreibung sowie aus der beigefügten Zeichnung entnehmbaren Merkmale gehören, auch wenn sie in den Ansprüchen nicht besondere aufgeführt sind, zu der unter Schutz zu stellenden Erfindung·

Patentansprüche:

Pd/Gi - 16 118/9

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Claims

Λ4 TEHTANWÄL TE *·"· « ' » 5/ 5 Z 2 ί 5 J

PATENTANWALT MULLER-BÖRNCR PATENTANWALT OIPL.-tNG. WEV

BERlVn D^Th^LEM PODerELeKrALLEE Ο« _^ MÜNCHEN 8t .WIDENMAVeR»TRA«6« M

, ,„.Berlin, den 15· Hovember 1963

Buropäisohe Atomgemeinechaft (EURATOM) Brüssel / Belgien

Patentanspruch ei

( 1J Brennatofiflement für Kernreaktoren mit metalliechem Brennstoff aue Vlrka. oder Uranlegierungen oder Keramik-Brennstoff, insbesondere für duroh «inen unter Druck stehenden Wärmeträger gektihlte Leistungsreaktoren_t das in wesentlichen zwischen dem spaltbaren Brennstoff in Form von Metall- oder Keramiketäben oder -platten oder von aufeinander geatapalten Metall- oder Keramik-Tabletten und der Schutzhülle aue mit dem Brennstoff diffundierendem Material» und zwar Aluminium, Zirkonium oder legierungen aus diesen Stoffen, eine Diffusioneaohranke enthält, dadurch gekennzeichnet, daas die Diffusionesohranke eine Verkleidung 1st, die aus einem sehr dünnen Band (6) aus zum Hemmen der Diffusion geeignetem Material besteht^ das, indem es zum Breielen der bestimmten Öohrankendicke zwischen Hülle (1) und Brennstoff (2) bei bu seinem ortsfesten Halten vorgesehenen Mitteln (7))ln der erforder-. liehen Menge um den Brennstoff (2) gewickelt wird, auf der _;

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ΡβΙΙΝβΟΗΚΙΜΒΙΙΙ

Aussenfläche des Brennstoffs eine durchgehende Abdeckung innder Weise bildet, dass die Verkleidung vor dem Einführen der Brennstoff ladung des Brennstoffelements in die Schutzhülle (1) eine'die ladung oder einen Teil von ihr mindestens auf der Seitenfläche dee Brennstoffs (2) ummantelnde nachgiebige Hülle bildet·

2· Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffusionssohranke bildende Verkleidung aus einem Band (6) besteht, das in Richtung seiner Breite auf den Brennstoff (2)

■'■■■■■. η

gewiokßlt ist, wobei seine Längsräcler eine schmale Überlappungszone (8) bilden·

3· Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet» dass die Verkleidung aus mehrenen Bändern besteht, die bei auein-

' ander versetzten Überlappungezonen nacheinander aufeinander gewikkeit sind.

4* Brennstoffelement nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffusioneeohranke bildende Verkleidung aus einem in Rioh~ tung der Breite auf den Brennstoff gewickelten Band besteht» dae mehrere aufeinanderfolgende Windungen bildet· -*- >■■'■■',

5·· Brennstoffelement naoh Anepruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daai ,

die die ttCfueionaechranke bildende Verkleidung aue mehreren*in jjf . Riohtung ihrer Breite zusammen auf den Brennstoff gewlοkelten Bttndem besteht« , ■- ' · · ;

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-6· Brennstoffelement naoh Anspruch 1_r dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffusionssohranke bildende Verkleidung aus mehreren in · Richtung ihrer Breite auf den Brennstoff gewickelten Bändern besteht, die., indem sie bei gegenseitiger Überlappung der einander benachbarten Längsrändern nacheinander auf der Seiten-' fläche dee Brennstoffs angebracht sind, auf dem Brennstoff eine einzige Sohicht bilden·

7· Brennstoffelement nach Anspruoh 1 und 6, dadurch gekennzeichnet! dass die Verkleidung aus mehreren gemäsa Anspruch 6 hergestellten Schichten besteht, die bei zueinander versetzten ÜberlappungB-zonen aufeinander angebracht sind·

8· Brennstoffelement naoh Anspruch 1 und Anspruoh 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum ortsfesten Halten der Verkleidung aus nach einem bekannten Schweissverfahren oder einem beliebigen metallurgischen Bindeverfahren ausgeführte Verschweissungen an den Überlappungszonen des Bandes oder der Bänder bestehen·

9· Brennstoffelement naoh Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffusionsschranke bildende Verkleidung aus einem Band besteht, dass unter teilweiser Überlappung schraubenlinienförmig auf den Brennstoff gewickelt ist.

10· Brennstoffelement nach Anspruoh 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Verkleidung mehrere gemäss Anspruoh 9 hergestellte Schichten enthält, die zum Erzielen der gegenseitigen Versetzung der Überlappungszonen" um einen Bruchteil der Steigung

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der Schraubenlinie zueinander versetzt angeordnet sind. . .

11.Brennstoffelement nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum ortsfesten Halten der Verkleidung aus Verschweissungen bestehen, die nach einem bekannten Schweissverfahren oder einem beliebigen metallurgischen Bindeverfahren mindestens an den den Endabschnitten dee Brennstoffs entsprechenden Uberlappungszonen ausgeführt sind·

^.Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffusionsschranke bildende Verkleidung aus mindestens zwei Bändern (9, 10) besteht, die mit bündig aneinander anstossenden Rändern und in entgegengesetzten Richtungen schraubenlinienförmig aufeinander gewickelt sind·

13.Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffusionsschranke. bildende Verkleidung aus mindestens zwei in gleicher Richtung mit bündig aneinander anstossenden Rändern schraubenlinienförmig aufgewickelten Bändern besteht, wobei das obere Band zum Erzielen des Schneidens oder Bedeokens der Fugen des unteren Bandes um eine halbe Gangbreite der

Schraubenlinie versetzt ist·

14«Brennstoffelement nach Anspruoh 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum ortsfesten Halten des oder der Bänder aus naoh einem bekannten Schweiesverfahren oder einem beliebigen "

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metallurgischen Verbindungeverfahren mindestens an den den Endabschnitten des Brennstoffs entsprechenden überlappungszonen von zwei Bändern ausgeführten Verschweieaungen bestehen.

15. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 13» dadurch gekennzeichnet, dass die Bndabsohnitte der Brennstoffladung des Elemente oder eines Seiles von ihr duroh mindestens einen Teil der zylindrischen Abschnitte des oder der über die Enden hinaus aufgewickelten Bänder, der auf die Enden umgelegt und zurUokgeklappt ist, bedeckt sind, wobei die umgelegten Abschnitte durch nach einem bekannten Sohweissverfahren oder einem beliebigen metallurgischen Verbindungeverfahren ausgeführt« Versohweissungen aneinander befestigt sind* ' '

16. Brennstoffelement nach Anspruch IbIe 131 dadurch gekennzeichnet, dass die Bndabsohnitte der Brennetoffladung de» Elements oder eines Teile« von ihr mindestens'duroh eine Kappe aue dem glei. chen Material wie dta de■ BaMeβ verkleidet sind* die auf die in Höhe der Enden endende seitliche Verkleidung aufgeschoben und mittels naoh einem bekanntilnSohweiesverfahren oder einem beliebigen metalXUrgiaohen Viibindungeverfahren an ihrem seitlichen Bundring ausgeführter V^rsoKwelssungen an der Verkleidung Uefestigt ist. " < "'

17. Brennstoffelement naoh Anspruch 1 und einem der Ansprüche 3» 5» T, 10, 12, 13».nach denen die Verkleidung aus mehreren übereinander'

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angeordneten Bandschiohten besteht, dadurch gekennzeichnet,

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dass die aufeinanderfolgenden.Bohiohten aus Stoffen unjterschiedlicher Art gebildet 'sind, so daas binäre oder ternäre Misohungsaohranken erzielt werden« ί

18· Brennstoffelement naoh Anspruch 1 und einem der Ansprüche 3, 5, 7» 10, 12, 13, naoh denen die Verkleidung au« mehreren übereinander angeordneten Bandsohiohten besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die die Diffuaioneaohrankenverkleidung bildenden Bänder mindestens auf einer Oberfläche oxydiert sind, so dass ewieohen den Hetallverstärkungen oder - absohirmungen dünne /Oxydsohiohten eingelagert sind*

19· Brennstoffelement naoh Anspruoh 1 und einem der Ansprüche 3,5, 7, 10, 12, 13, naoh denen die Verkleidung aue mehreren überein·» ander angeordneten Bandsohiohten besteht, daduroh gekennzeichnet, dass auf mindestens eine der Oberflächen dtr Blinder eine dünn« Sohioht aue einem Material mit niedrigem Sohmtlfepunkt aufgebraohtitt» tut bei dtr Unterteilung der Dioke der lohranke in mehrer· Sohiohten an der £onta«fi&oh· dli Verringerung de· WärmewiteretandeB au ermögllohtn·

20. Brennet off fitment naoh eißisa dtr JLneprüohe 1 bie fl|,bti denen der öpaLtbart Brtnnttoff tin eu Btiner Vtr^i^iliuis^ auf dtr Hüllt, mit AUakehXungen (5) vereehtntr ttttallieob.tr BrinÄitoffßtab daduroh geVtnnatiohnet, dass dae Profil der Auikthlungtn (5) und Ale Äoktn der Endabaohnittt »bgtrundtt

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21· Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Bänder aus einem der nachfolgenden

Stoffe, d.h'. aua rostfreiem Stahl, Bisen, Nickel, Vanadium, • Tantal

Titan/ Zirkonium, Beryllium oder Niobium, bestehen.

22. Wickelvorrichtung für ein zum Ummanteln einer aus Brennstofftabletten bestehenden Einheit bestimmtes dünnes Band, dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen zwei zueinander parallele und drehbare zylindrische Walzen (33» 34), die in einem das Bilden einer Auflage für eine Reihe von Brennstofftabletten (35) ermöglichenden Abstand voneinander angeordnet sind und von denen eine antreibt und ihre Bewegung auf die Brennetofftabletten (35) überträgt, eine auf die Brennstofftabletteneinheit einen Druok ausübende dritte Walze (36), auf die Enden der Brennstofftabletteneinheit einen axialen Druokmausübende _{ pneumatische Vorrichtungen (39»40) und einen auf einem Bett

(41) mit zu den Walzen (33, 34, 36) paralleler Achse verschiebbaren,. Bandspule» (44, 45) tragenden Sohlitten (42) enthält, wobei eine beliebige kinematische Kette die AntriebBwalzen (33, 34) und eine Verschiebevorrichtung (43) für den Sohlitten

(42) so miteinander verbindet, dass zwischen dem Band (46) und der Brennstofftabletteneinheit eine achraubenlinienförmige Relativbewegung entsteht·

23· \7ickelvorriohtung für ein zum Ummanteln einer aua Brennstofftabletten bestehenden Einheit bestimmtes dünnes Band, daduroh gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen einen auf der Achse

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eines mehrere Bandspulen (48) tragenden Drehkranzes (47) angeordneten radial ausdehnbaren Dorn (46), eine Auflagevorrichtung (49) für eine Reihe von Brennstofftabletten (50) mit einer auf die Brennstofftabletteneinheit einwirkenden Druckvorrichtung (52) und eine das Ende der Brennstofftabletteneinheit gegen die Stirnfläche des Dorns (46) schiebende pneumatische Vorrichtung (51) enthält, wobei eine beliebige kinematische Kette eine Relativbewegung des Dorns (46) zum Drehkranz (47) in der Weise bewirkt, dass das Band auf den Dorn (46) in seiner gedehnten'Stellung schraubenlinienförmig aufgewickelt wird, während der Dorn in seinem Durohmesser so reduzierbar ist, dass er nach Beendigung des Aufwickeins eine entsprechend reduzierte Porm annimmt, in der er sich aus der aus Band bestehenden Wicklung herausziehen läsut und das Einführen der der Kraft der pneumatischen Vorrichtung (51) ausgesetzten Brennstofftabletteneinheit in diese Wicklung hinein ermöglicht·

24· Verfahren zur Herstellung einer Diffusionsschranke in einem Brennstoff element für Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass man um den Brennstoff mindestens ein dünnes Band wickelt, das aus einem Material besteht, das zum Stoppen oder Hemmen der Interd ffuaion zwischen dem Brennstoffmaterial und dem Umhüllungsmaterial geeignet ist.

25. Brennstoffelement mit den aus der Beschreibung und dtn Ze'ichnun- , gen entnehmbaren Merkmalen.

26. Wickelvorrichtung zur Herstellung dee Brennstoffelements naoh

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den Anaprüohen 1 bis 21 und 25 mit den aus der Beschreibung und den Zeichnungen entnehmbaren Merkmalen·

27· Verfahren aur Herstellung dee Brennstoffelements naoh den Ansprüchen 1 bis 21 und 25 mit den aus der Beschreibung und den Zeiohnungtn entnehmbaren Merkmalen.

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