DE2626914A1 - Supraleitendes kabel - Google Patents

Supraleitendes kabel

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DE2626914A1 DE19762626914 DE2626914A DE2626914A1 DE 2626914 A1 DE2626914 A1 DE 2626914A1 DE 19762626914 DE19762626914 DE 19762626914 DE 2626914 A DE2626914 A DE 2626914A DE 2626914 A1 DE2626914 A1 DE 2626914A1
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Cord-Henrich Dipl Phy Dustmann
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/20Permanent superconducting devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N60/00Superconducting devices
    • H10N60/01Manufacture or treatment
    • H10N60/0128Manufacture or treatment of composite superconductor filaments

Description

  • Supraleitendes Kabel
  • Die Erfindung betrifft ein supraleitendes Kabel zum verlustarmen Transport hoher Ströme im Bereich zeitlich konstanter oder sich ändernder Magnetfelder aus einer Vielzahl von parallel geschalteten in elektrisch gut leitendes Normalmetall eingebetteten supraleitenden Filamenten (Filamentdrähte), die zum Erreichen einer hohen magnetischen Stabilität und geringer elektrischer Verluste aus gleichsinnig oder alternierend verdrillten Filamentdrähten gebildet sind und zum Aufnehmen statischer und dynamischer Magnetkräfte eine Trägerstruktur aus einem unmagnetischen Werkstoff besitzen.
  • Kabel dieser Art werden benötigt für Toroidal- und Poloidalspulen in Fusionsreaktoren und für supraleitende Torusexperimente kleineren Maßstabs, die mit Betriebsströmen der Größenordnung 10 kA betrieben werden müssen, damit eine Schnellentladung ohne unzulässig hohe Klemmenspannung möglich ist. Die erforderlichen Supraleiterquerschnitte, die diesen Betriebsstrom auch im Bereich des maximalen Feldes von 8 T bei der Toruswicklung mit NbTi-Supraleitern tragen müssen, erfordern große Querschnitte des Stabilisierungsmaterials, so daß eine kompakte Leiterkonfiguration wegen zu hoher Wirbelstromverluste nicht möglich ist. Abgesehen von der Spulenform ist die Beanspruchung des Leitermaterials durch zeitlich veränderliche Magnet felder der hauptsächliche Unterschied zwischen Wechselstrommagneten und den bekannten supraleitenden großen Gleichstrommagneten. Diese dem zeitlich konstanten Torusfeld überlagerten gepulsten Magnetfelder, erzeugt durch die Poloidalfeldspulen sowie durch den Plasmastrom, rufen Verluste hervor, die teils im Supraleiter selbst, teils im stabilisierenden Normalmetall und im metallischen Strukturmaterial entstehen.
  • Diese prinzipiell unvermeidbaren Verluste müssen im Interesse der ökonomie des Gesamtsystems möglichst gering gehalten werden.
  • Leiterkonzepte mit dicken supraleitenden Filamenten, eingebettet in kompakte Querschnitte aus gut leitendem Normalmetall wie Kupfer und evtl. Aluminium, wie sie für große Gleichstrommagnete entwickelt wurden, erfüllen diese Forderung in einem gepulsten Toroidalfeldsystem nicht.
  • Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse eine NbTi-Struktur in Normalmetall wie Kupfer einzubetten, an deren Oberfläche Kühlkanäle durch in die Struktur eingebrachte Rinnen zu bilden und zum Aufnehmen von Magnetkräften mit einer Platte aus nichtrostendem Stahl (unmagnetisch) abzudecken, deren Oberflächen elektrisch isoliert sind (JOKA/7,6 T ANL-Conductor). Bei dieser Anordnung ist eine Kühlung der Supraleiterstruktur nur an wenigen Stellen möglich, so daß beim örtlichen Übergang zur Mormalleitung eine Rückkehr zur Supraleitung ohne Quench nur durch Einsatz großer normalleitender Querschnitte möglich ist.
  • Es ist auch vorgeschlagen worden (UWMAK-I Wisconsin, A., Toroidal Fusion Reactor design UWFDM-68 (1973)), einen in Kabellängsrichtung verlaufenden Träger aus unmagnetischem Stahl zum Aufnehmen von Magnetkräften zu verwenden, dessen Querschnitt eine sich wiederholende H-förmige Gestalt hat. Die Freiräume des Querschnitts sind überwiegend mit vorgespanntem Kupfer als den an der Außenseite angeordneten Supraleiter kryogen stabilisierendes Normalmetall ausgefüllt. Eine seitliche Abdeckplatte bildet an der äußeren Oberfläche des rechteckförmigen Filamentdrahtes einen Kühlkanal.
  • Zur kryogenen Stabilisierung der Filamentdrähte ist wegen der kleinen gekühlten Oberfläche ein großer Querschnitt normalleitenden Metalls erforderlich.
  • Bei einem anderen bekannten Vorschlag sind drei NbTi-Filamentdrähte mit Kreisquerschnitt mit Kupfer als Normalmetall zu einem runden ersten Draht geformt. Nach dem gleichen Prinzip sind drei erste Drähte zu einem zweiten Draht und drei zweite Drähte zu einem dritten Draht verarbeitet. In einem Kreisquerschnitt eines außen quadratischen Trägers aus unmagnetischem Stahl ist eine Vielzahl dritter Drähte angeordnet, die Zwischenräume zum Durchleiten eines Kühlmittels bilden. Der Nachteil dieses Kabels besteht neben seinem komplizierten und kostenintensiven Aufbau vor allem darin, daß die dritten Drähte nicht ausreichend in der Bohrung des Trägers fixiert werden können, so daß diese Drähte im Wechselfeld durch Druck oder Reibung die Sprungtemperatur überschreiten und deshalb die notwendige Betriebssicherheit nicht erreicht werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein supraleitendes Kabel zu entwickeln, das geeignet ist für den Einsatz in Poloidal- und Torusfeldspulen für plasmaphysikalische Geräte und Fusionsreaktoren.
  • Dieses Kabel soll insbesondere möglichst geringe Wechselfeldverluste haben, eine hohe Betriebssicherheit durch geeignete Maßnahmen zur kryogenen Stabilisierung erreichen, statische und dynamische Nagnetkräfte mit Sicherheit aufnehmen können, in einfacher Weise kühlbar sein, in einem wirtschaftlichen Verfahren herstellbar sein und eine einfache und rationelle Spulenfertigung ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch gelöst, daß jeder einer Vielzahl von i'1ilamentdrhten durch einn Mantel aus elektrisch gut leitendem Normalmetall als kryogen stabilisierter Supraleiterdraht ausgebildet ist, daß der Kern des Kabels aus einem in Kabellängsrichtung verlaufenden bandförmigen Träger (Trägerband) besteht, daß die Supraleiterdrähte einlagig an der Oberfläche des Trägerbandes angeordnet und dort befestigt sind, und daß die Supraleiterdrähte auf dem Trägerband so verteilt sind, daß jeder Supraleiterdraht eine halbe Verseillänge (LS/2) alternierend auf der einen und auf der anderen Seite des Trägerbandes geführt ist.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß zum Bilden von Kühlkanälen zwischen je zwei Supraleiterdrähten ein deren Abstand bestimmender Abstandsdraht auf dem Trägerband befestigt und mit den benachbarten Supraleiterdrähten verbunden ist.
  • Durch diese Maßnahmen werden die durch veränderliche Magnetfelder im Strukturmaterial induzierten Wirbelströme gering gehalten. Dabei kann es in bestimmten Anwendungsfällen von besonderer Bedeutung sein, daß das Trägerband aus einem faserverstärkten Kunststoff, also einem Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit und sehr geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht.
  • Die Herabsetzung der Wirbelströme läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen, daß das Trägerband aus mindestens zwei Metallbändern gebildet wird, und daß die Metallbänder durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht getrennt sind.
  • Bei dem den Supraleiterdraht umgebenden, die kryogene Stabilisierung bewirkenden Normalmetall guter elektrischer Leitfähigkeit müssen die Abmessungen in der zur Pulsfeldkomponente senkrechten Ebene möglichst klein sein. Dadurch bleibt die das Normalmetall durchsetzende magnetische Flußänderung und somit auch die Dissipation infolge Wirbelströmen gering. Dieser Effekt kann durch resistive Barrieren, z.B. durch eingelagerte Cu-Ni-Barrieren oder Lötschichten unterstützt werden. Iri einfachsten Fall kann diese Wirkung dadurch erzielt werden5 daß der den Filamentdraht umschließende Mantel aus Normalmetalldrähten besteht, die bei einer Weiterbildung der Erfindung miteinander verschweißt oder verlötet sind.
  • Als besonders wirkungsvoll hat es sich erwiesen, daß auf dem Trägerband mehrere mit den Supraleiterdrähten gemeinsam verseilte und von diesen durch Abstandsdrähte distanzierte Abstandshalter befestigt sind, daß die Abstandshalter Rechteckquerschnitt haben, daß ein beim Verarbeiten zu Spulen mitgewickeltes Stahlband auf den Abstandshaltern aufliegt und dadurch die Supraleiter von Druckkräften entlastet.
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die räumlich getrennte Anordnung der auf dem Trägerband verseilten und dort fixierten Supraleiterdrähte der überwiegende Teil der Oberfläche derselben vom Kühlmittelstrom benetzt wird. Dadurch verringert sich der Bedarf an Normalmetall zum kryogenen Stabilisieren, also zum Zurückführen einer normalleitenden Zone inden supraleitenden Zustand, außerdem kann die normalleitende Stelle nicht auf benachbarte Supraleiterdrähte übergreifen. Die geringen Querabmessungen des den Supraleiterdraht einschließenden Normalmetalls führen zu einer Herabsetzung der Wirbelstromverluste. Ein anderer wesentlicher Vorteil besteht darin, daß durch die Anordnung von Abstandshaltern auf dem Trägerband und die Fixierung der Supraleiterdrähte auf dem Trägerband große magnetische Kräfte auf Strukturelemente übertragen werden, ohne daß Belastungen der Supraleiterdrähte auftreten. Der konstruktive Aufbau des supraleitenden Kabels nach der Erfindung ermöglicht eine relativ einfache Herstellung des Kabels und aus diesem gewickelte Spulen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 Schnitt eines auf einem Trägerband aufgelöteten Supraleiterdrahtes mit Distanzdrähten; Fig. 2 Schnitt eines supraleitenden Kabels mit Trägerband und bandförmiger Beilage; Fig. 3 Ansicht eines supraleitenden Kabels mit auf einem Trägerband verseilten Supraleiterdrähten; Fig. 4 Vereinfachter Schnitt einer Poloidalspule; Fig. 5 Schnitt eines supraleitenden Kabels in einem Rechteckrohr; Fig. 6 Schnitt eines supraleitenden Kabels mit einer bandförmigen Beilage mit Stegen.
  • Der prinzipielle Aufbau eines Supraleiterdrahtes 1 und dessen Anordnung auf einem Trägerband 2 aus unmagnetischem Stahl ist in Fig. 1 als vereinfachtes Schnittbild dargestellt. Der kryogen vollstabilisierte Supraleiterdraht 1 hat eine Stromtragfähigkeit von einigen 100 A beim maximalen Feld auf der inneren Lage der Toruswicklung. Er besteht aus einem zentralen Kern in Form eines Bündels supraleitender Filamente, die in eine normalleitende Matrix aus Kupfer eingebettet sind und den Filamentdraht 3 bilden, der in einen Mantel 4 aus Normalmetall eingeschlossen ist. Der Mantel 4 kann, wie in der linken Bildhälfte dargestellt, aus massivem Kupfer bestehen oder, wie in der rechten Bildhälfte gezeigt, aus einem ersten Kupfermantel 5 und einem zweiten Kupfermantel aus Einzeldrähten 6. Dazu werden Kupferdrähte um den Filamentdraht 3 verseilt, mit einem gutleitenden Lot 7 (z.B. Sn oder Pb-Zn) verlötet und auf den endgültigen Viereckquerschnitt gewalzt. Die sich radial ausbildenden Lotschichten wirken als Barrieren für azimutale Koppelströme, ohne die Wärmeleitung und damit die kryogene Stabilisierung zu verschlechtern.
  • Um Bewegungen der Supraleiterdrähte 1 auf jeden Fall zu verhindern, sind diese auf dem Trägerband 2 durch Kleben oder Löten fixiert.
  • Durch Verwendung eines Lotes mit hohem spezifischen Widerstand, wie z.B. Ag-Sn-Lot, können ungünstige Auswirkungen auf die Gesamtverluste des supraleitenden Kabels ausgeschlossen werden.
  • Zwischen den Supraleiterdrähten 1 sind Kühlkanäle 8 gebildet, so daß ein flüssiges Kilhlmittel, wie z.B. Helium einen wesentlich größeren Teil der Oberfläche der Supraleiterdrähte 1 benetzt.
  • Der Abstand der Supraleiterdrähte 1 wird bestimmt durch mitverseilte Abstandsdrähte 9 aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 0,5 mm, die ebenfalls mit dem Trägerband 2 und mit den benachbarten Supraleiterdrähten 1 verlötet sind.
  • Der Supraleiterdraht 1 ist als Bauelement für supraleitende Kabel unterschiedlicher Stromtragfähigkeit einsetzbar, die sich nur durch die Anzahl der Supraleiterdrähte unterscheiden.
  • Der Aufbau des supraleitenden Kabels nach der Erfindung ist in Fig. 2 als Schnittbild dargestellt. Das Trägerband 2 besteht hier aus einem Rohr aus unmagnetischem Stahl, das durch Wälzen bandförmig verformt wurde und dessen Innenseite durch ein Isoliermaterial 10 wie z.B. Isolierlack, Metalloxydpulver oder Isolierfolie elektrisch isoliert sind. Dadurch werden verlusterzeugende Koppelströme, die die senkrecht zum Supraleiterkabel stehende Komponente eines gepulsten Feldes quer durch das Trägerband 2 treiben würde, wesentlich herabgesetzt und damit auch die Wirbelstromverluste. Das Trägerband 2 kann auch aus zwei oder mehreren Bändern aus unmagnetischem Stahl bestehen, die durch Punktschweißen miteinander verbunden und durch Zwischenschichten aus einem Isoliermaterial elektrisch isoliert sind. Es ist auch möglich, das Trägerband aus einem Band aus unmagnetischem Stahl zu falten und die gefalteten Schenkel voneinander elektrisch zu isolieren. Zur Herabsetzung der Verluste wird für das Trägerband ein Werkstoff möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet. Diese Forderung wird in besonderem Maße erfüllt durch ein faserverstärktes Kunststoffband. Hierbei kann die isolierende Zwischenschicht entfallen.
  • Auf dem Trägerband 2 sind durch Abstandsdrähte 9 distanzierte Supraleiterdrähte 1 verseilt und verlötet. Mitverseilt sind auch Abstandshalter 11 mit rechteckigem Querschnitt aus unmagnetischem Stahl-oder Kunststoff. Diese übertragen die an den Supraleiterdrähten 1 auftretenden radialen und azimutalen Kräfte auf die kräfteaufnehmende Struktur der Wicklung die aus mitgewickelten unmagnetischen Stahlbändern 12 zum Aufnehmen der magnetischen Reifenkräfte und die Wicklung seitlich begrenzenden Platten 13 besteht, die auf der dem supraleitenden Kabel zugewandten Seite mit einer Isolierschicht 14 versehen sind. Jeweils zwei Abstandshalter 11 begrenzen mit einem Stahlband 12 einen von mehreren Kühlkanälen 15 zum Durchleiten von flüssigem Helium.
  • In Fig. 3 ist die Ansicht eines supraleitenden Kabels nach der Erfindung dargestellt. Auf einem Trägerband 2 sind in einlagiger Anordnung Supraleiterdrähte 1 und Abstandshalter 11 in einem durch Abstandsdrähte 9 vorbestimmten Abstand verseilt und mit dem Trägerband 2 verlötet. Durch das Verseilen ist jeder Supraleiterdraht 1, jeder Abstandsdrat 9 und jeder Abstandshalter 11 eine vorbestimmte halbe Verseillänge LS/2 alternierend auf der einen und auf der anderen Seite des Trägerbandes 2 geführt.
  • Ein vereinfachter Schnitt durch eine mit dem supraleitenden Kabel nach der Erfindung gewickelte Poloidalspule ist in Fig. 4 dargestellt. Auf einem Rohr 16 sind scheibenförmige Platten 13 zum seitlichen Begrenzen der Wicklung angeordnet. Zwischen je zwei Platten 13, deren Oberflächen mit einer Isolierschicht 14 versehen sind, ist das supraleitende Kabel 1, 2, 9, 10, 11 gemeinsam mit einem Stahlband 12 zu einer Spule gewickelt.
  • Die Anordnung des supraleitenden Kabels 1, 2, 9, 10, 11 in einem die Magnetkräfte aufzunehmenden Rechteckrohr 17 zeigt Fig. 5.
  • Bei dieser Anordnung sind die Supraleiterdrähte 1 vollständig abgeschlossen und die Kühlkanäle 15 in das Rechteckrohr 17 integriert, das aus einem unmagnetischen Stahl besteht. Das Rechteckrohr 17 ist mindestens an einer seiner Außenseiten mit einer Isolierschicht 18 ausgerüstet.
  • Anstelle des beim Verarbeiten des supraleitenden Kabels zu Spulen mitgewickelte Stahlbandes 12 kann auch eine bandförmige Beilage 19 verwendet werden, die an ihrer den Supraleiterdrähten 1 zugewandten Seite wie in Fig. 6 dargestellt, Stege 20 besitzt, die in Längsrichtung des Bandes angeordnet sind und auf den Supraleiterdrähten 1 liegen. Durch die Stege 20 werden Kühlkanäle 21 gebildet, die miteinander verbunden sind. Die ebene Seite der bandförmigen Beilage 19 ist, wenn diese aus Stahl besteht mit einem Isolierband 22 belegt.
  • L e e r s e i t e

Claims (11)

  1. Patentansprüche 1Supraleitendes Kabel zum verlustarmen Transport hoher Ströme im Bereich zeitlich konstanter oder sich ändernder Magnetfelder aus einer Vielzahl von parallel geschalteten in elektrisch gut leitendes Normalmetall eingebetteten supraleitenden Filamenten (Filamentdrähte), die zum Erreichen einer hohen magnetischen Stabilität und geringer elektrischer Verluste aus gleichsinnig oder alternierend verdrillten Filamentdrähten gebildet sind und zum Aufnehmen statischer und dynamischer Magnetkräfte eine Trägerstruktur aus einem unmagnetischen Werkstoff besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder einer Vielzahl von Filamentdrähten (3) durch einen Mantel (4) aus elektrisch gut leitendem Normalmetall als kryogen stabilisierter Supraleiterdraht (1) ausgebildet ist, daß der Kern des Kabels aus einem in Kabellängsrichtung verlaufenden bandförmigen Träger (2) (Trägerband) besteht, daß die Supraleiterdrähte (1) einlagig an der Oberfläche des Trägerbandes (2) angeordnet und dort befestigt sind, und daß die Supraleiterdrähte (1) auf dem Trägerband (2) so verteilt sind, daß jeder Supraleiterdraht (1) eine vorbestimmte halbe Verseillänge (LS/2) alternierend auf der einen und auf der anderen Seite des Trägerbandes geführt ist.
  2. 2. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bilden von Kühlkanälen (8) zwischen je zwei Supraleiterdrähten (1) ein deren Abstand bestimmender Abstandsdraht (9) auf dem Trägerband (2) befestigt und mit den benachbarten Supraleiterdrähten (1) verbunden ist.
  3. 3. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (2) aus einem faserverstärkten Kunststoff also einem Werkstoff hoher mechanischer Festigkeit und geringer elektrischer Leitfähigkeit besteht.
  4. 4. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß das Trägerband (2) aus mindestens zwei Metallbändern besteht, und daß die Metallbänder durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (10) ganz oder teilweise getrennt sind.
  5. 5. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (2) aus einem bandförmig verformten Rohr aus Metall besteht, und daß die Innenwand des Rohres mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen ist.
  6. 6. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (2) aus einem an seinen Rändern gefalteten und dadurch über seine gesamte Breite eine Doppellage bildenden Metallband besteht, undxdaß die zwei Schichten des Trägerbandes (2) eine elektrisch isolierende Zwischenschicht (10) einschließen.
  7. 7. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Filamentdraht (3) umschließende Mantel (4) aus Normalmetalldrähten (6) besteht.
  8. 8. Supraleitendes Kabel nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Mantel (4) bildenden Normalmetalldrähte (6) miteinander verschweißt oder verlötet sind.
  9. 9. Supraleitendes Kabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Trägerband (2) mehrere mit den Supraleiterdrähten (1) gemeinsam verseilte und von diesen durch Abstandsdrähte (9) distanzierte Abstandshalter (11) befestigt sind, daß die Abstandshalter (11) Rechteckquerschnitt haben, daß ein beim Verarbeiten zu Spulen mitgewickeltes Stahlband (12) auf den Abstandshaltern (11) aufliegt und dadurch die Supraleiterdrähte (1) von radialen Druckkräften entlastet, und daß auf der von den Supraleiterdrähten (1) abgewandten Seite des Stahlbandes (12) eine Isolierschicht angeordnet ist.
  10. 10. Supraleitendes Kabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (2) mit den verseilten Supraleiterdrähten (i) und den Abstandshaltern (11) von einem Rohr (17) mit rechteckigem Querschnitt umschlossen ist, das die magnetischen Kräfte ganz oder teilweise aufnimmt und den Kühlmittelstrom ftlhrt.
  11. 11. Supraleitendes Kabel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerband (2) mit den verseilten Supraleiterdrähten (1) durch eine beim Wickeln auf der Ober- und Unterseite eingelegte bandförmige Beilage (19) hoher mechanischer Festigkeit und geringer elektrischer Leitfähigkeit abgedeckt ist, daß die bandförmige Beilage (19) an der den Supraleitern (1) zugewandten Seite im wesentlichen in Längsrichtung angeordnete Stege (20) besitzt, die auf den Supraleiterdrähten (1) aufliegen und an diesen wirkende Feldkräfte aufnehmen.
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