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Pendel-Dekantier-Zentrifuge
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Die Erfindung betrifft eine Pendel-Dekantier-Zentrifuge.
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Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, mit
der das Dekantieren von kleineren Teilchen in Suspension in einer Flüssigkeit durch
Rotieren der Flüssigkeit in einer Zentrifugen-Trommel, die am unteren Ende einer
Antriebswelle befestigt ist, erfolgt.
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Bekanntlich wird die Wiederaufbereitung von Brennelementen von Kernreaktoren,
d. h. die Wiedergewinnung von Aktiniden, die noch in erschöpften Brennelementen
aus dem Reaktorkern vorhanden sind, in mehreren Schritten vorgenommen.
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Zuerst werden die Brennelemente enthiilst, d. h.
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sie werden in Elemente kürzerer Länge zersägt. Jedes dieser -kleinen
Elemente besitzt daher einen Abschnitt aus bestranltem Spaltstoff, festen Spaltprodukten
und einem Abschnitt der Hüllen zum Schutz der Brennelementanordnung, wobei diese
Hülle im allgemeinen aus Zircalloy gefertigt ist.
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In einem zweiten Verfahrensschritt wird eine Auflösung der Elemente
vorgenommen. Dennoch gehen die Hüllen und gewisse Teilchen nicht in Lösung über,
sondern bleiben in Suspension. Es handelt sich z. B. um kleine Teile der Hülle,
die z. B. die Form von Eisenfeilspänen" haben.
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und deren Abmessungen daher von einigen /um bis zu einigen mm reichen
können.-Es gibt auch unlösliche feste Spaltprodukte, deren Abmessungen von 1 /um
bis zu einigen /um betragen. Die zweite Art der Teilchen, die in Suspension bleiben,
ist selbstverständlich sehr radioaktiv.
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Nach dieser Auflösung werden aus dieser Lösung durch chemische Verfahren
die spaltbaren Stoffe oder noch nicht spaltbaren Stoffe entfernt, was die Wiederaufbereitung
darstellt. Dennoch ist die Existenz von zwei Arten von unlöslichen Produkten für
diesen Verfahrens schritt der Extraktion sehr störend. Einerseits besteht die Gefahr,
daß die unlöslichen Stoffe sich ansammeln und die Extraktionsvorrichtungen verstopfen.
Andererseits befindet sich unter diesen festen Teilchen sehr fein verteiltes Zicalloy,
das sich spontan entflammen kann. Schließlich können die unlöslichen Spaltprodukte
Wärmepunkte in den Vorrichtungen schaffen.
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Aus diesem Grund wird zwischen den Verfahrensschritt des Auflösens
und den Verfahrens schritt des Extrahierens
ein Zwischen-Verfahrensschritt
des "Klärens" geschaltet, um maximal die noch in Suspension in der Lösung vorhandenen
Teilchen zu extrahieren.
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Für diesen Verfahrensschritt sind bereits verschiedene Maßnahmen
in Erwägung gezogen worden Zunächst kann man an das statische Dekantieren denken.
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Allerdings ist ein derartiges Vorgehen weniger interessant wegen der
Größe der Teilchen, d. h. auf diese Weise können innerhalb angemessener Zeit nur
die größeren Teilchen entfernt werden.
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Ein anderes Vorgehen ist das Filtrieren. Dabei kommt es jedoch schnell
zu einem Zusetzen der Filtrierpatronen.
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Es ist auch bereits an ein drittes Vorgehen gedacht worden, das in
der Benutzung einer Dekantier-Pendel-Zentrifuge besteht. Zu diesem Zweck wird in
eine umlaufende Trommel die Lösung mit den ungelösten Stoffen eingeführt und am
oberen Rand der Trommel ein Ablauf.kanal vorgesehen.
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Wegen der hohen Drehzahl sammeln sich die festen Teilchen entlang
des Mantels der Trommel unter Bildung eines Kuchens, während die Flüssigkeit die
Trommel über Ablaufkanäle verläßt. Dennoch gibt es hier Schwierigkeiten bei der
späteren Behandlung des "Kuchens" von unlösbaren Stoffen. Tatsächlich hält dieser
Kuchen nach dem Zentrifugieren noch einen größeren Anteil von Lösung von Spaltstoffen
oder anderen wiederzugewinnenden Stoffen fest. Daher ist ein Spülen des Kuchens
mit Salpetersäure erforderlich. Dieses Spülen bringt jedoch gewisse Schwierigkeiten
mit sich. Einerseits
handelt es sich um beträchtliche Spül-Volumina,
die daher zusätzliche Mengen von flüssigen Abgängen erzeugen, weil das Spülen einige
Male wiederholt werden muß. Es stellt sich dabei ein quasi-laminarer Zustand ein,
der einen geringen Wirkungsgrad besitzt. Daher sind beträchtliche Lösungs-Volumina
nötig. Außerdem ist dieses Spülen umso wirksamer, je größer die Dichte der Spüllösungen
als die Dichte der zu entfernenden festgehaltenen Flüssigkeit ist, was die Wahl
der Spüllösungen sehr einschränkt.
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Außerdem gibt es bei den bestehenden Zentrifugen keine in kerntechnisciier
Hinsicht sichere Geometrie, d. h. bei einem zufälligen Zusetzen der Auslaßöffnungen
kann die Spaltstoff-Konfiguration kritisch werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dekantier-Pendel-Zentrifuge
zu schaffen, die diese Schwierigkeiten überwindet, insbesondere: - einen höheren
Dekantier-Wirkungs-grad sichert, - in der Geometrie ihrer Trommel unterkritisch
ist und - das Spülen des Kuchens unter bedeutend günstigeren Umständen und damit
eine bessere Extraktion der in diesem Kuchen vorhandenen Spatstoffe gestattet, nämlich
bei bedeutend geringeren Mengen Spüllösung.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Lehre
nach dem Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt der gesamten Zentrifuge entlang einer ersten
vertikalen Durchmesserebene und Fig. 2 einen Vertikalschnitt entlang einer zweiten
Durchmesserebene, die im wesentlichen senkrecht auf der ersten Durchmesserebene
steht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Zentrifuge abgebildet.
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Alle betriebenen Bauteile der Zentrifuge befinden sich unterhalb
eines biologischen Schilds 2, z. B. aus Stahl. Oberhalb der eigentlichen Zentrifuge
ist der Schild 2 durch einen lösbaren Deckel 4 gebildet. Die Zentrifuge ist von
einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 6 eingeschlossen, das vom Schild 2 herabhängt
und mit einem Abluftrohr 96 versehen ist. Die Trommel 8 der Zentrifuge ist über
ihren Boden an einer Antriebswelle 10 befestigt, die den Deckel 4 in einer vertikalen
Öffnung 12 durchsetzt.
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An ihrem oberen Ende 10a ist die Welle 10 von einem Lager 12 getragen,
das in gewisser Weise gelenkig ist. Die Antriebswelle 10 ist oberhalb ihres oberen
Endes 10a an einer Welle 14 eines Elektromotors 16 befestigt. Außerdem ist eine
Dichteinrichtung vorgesehen, z. B. durch Absaugen von eingedrungenem Gas über einen
Stutzen 18.
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Die umlaufende Trommel 8 hat einen oberen Abschnitt 8a zum Dekantieren
und einen unteren Abschnitt 8b, der mit einem Boden versehen ist, der eine Sammelzone
darstellt.
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Der obere Abschnitt 8a zum Dekantieren ist durch eine zylindrische
Wand des Durchmesser D1 gebildet, während die innere Wand 20 des unteren Abschnitts
8b zum Sammeln konisch ist. Genauer gesagt, diese Wand bildet einen Winkel 0 von
ca. 15 mit der Vertikalen, d. h. der Achsrichtung der Antriebswelle 10. Im allgemeinen
Fall beträgt dieser Halbwinkel 10 - 200, vorzugsweise ziemlich genau 150. Ein leicht
konischer Zwischenring 2-2 verbindet den unteren Abschnitt 8b und den oberen Abschnitt
8a.
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Es ist allerdings nicht erfindungswesentlich, daß die innere Wand
des unteren Abschnitts 8b konisch ist. Vielmehr reicht es aus, wenn der obere Teil
dieser Wand nahe dem Zwischenring 22 gegen. die vertikale Achse geneigt ist.
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Z. B. kann dieser Teil der Wand ein Paraboloid sein. In diesem Fall
bestimmen die Tangentialebenen an dieser Fläche den Winkel. Schließlich ist der
obere Rand des oberen Abschnitts 8a mit einer Ringplatte 24 versehen.
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Der Deckel 4 ist an seinem unteren Abschnitt 4a in den Innenraum
des unteren Abschnitts 8a der Trommel 8 verlängert.
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Der untere Abschnitt 8a besitzt radiale Flügel 9. Die seitliche Wand
26 der Verlängerung 4a des Deckels 4 begrenzt mit dem oberen Abschnitt 8a des Mantels-
einen Klär-Ringraum 28. Der Klär-Ringraum 28 muß über einen ringförmigen oberen
Kanal 30 mit dem Innenraum des Gehäuses6 und außerdem an seinem unteren Ende über
einen Ringkanal 32 mit der vom unteren Abschnitt 8b der Trommel gebildeten Sammelzone
34 verbunden sein. Ein zylindrischer Einsatz 35, der am Gehäuse 6 befestigt ist,
unterteilt diesen in einen äußeren Ablauf-Raum 36, der mit dem Kanal 30 verbunden
ist, und in einen inneren Sammel-Raum 38, jeweils bezogen auf den zylindrischen
Einsatz 35. Ein Stutzen 40 geht vom unteren
Ende des ringförmigen
Raums 36 aus. Ähnlich ist ein Absaug-Stutzen 41 am Boden des Raums 38 vorgesehen.
Im Innenraum der Sammel-Zone 34 ist ein zylindrischer Einsatz 52 vorgesehen, der
mit der Innenwand 54 des Abschnitts 8b eine Uberlauf-Zone 56 bildet. Die Zone 56
ist mit einem Kanal 58 versehen, der den Boden des unteren Abschnitts 8b durchsetzt,
so daß eine Verbindung zwischen der Zone 56 und dem Bereich 38 hergestellt wird.
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Außerdem ist vorhanden ein den unteren Teil 4a des Deckels 4 durchsetzender
Kanal 42, der sich bis zur Unterseite 4b des Deckels 4 erstreckt. Der Kanal 42 ist
durch einen Deflektor 44 verlängert, der die den Kanal 42 durchströmende Flüssigkeit
zum Ringraum 32 lenkt. An seinem anderen Ende ist der Kanal 42 an ein einfahrbares
Rohr 46 angeschlossen, das die zu dekantierende Flüssigkeit zuführt.
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Im Inneren der Zentrifuge befindet sich auch eine Leitung 60, deren
freies Ende nahe dem Boden des unteren Abschnitts 8b liegt, wobei die Leitung 60
den Deckel 4a durchsetzt und einen der Zweige eines Hebers 62 bildet, der einen.weiteren.
Zweig 64 besitzt. Der Heber 62 wird noch genauer beschrieben werden.
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In der Praxis sind zwei identische Hebe-Einrichtungen vorhanden,
damit auf jeden Fall zumindest ein Heber betriebsbereit ist. Man kann also zwei
Heber in "Reserve" vorsehen.
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Ausweislich der Zeichnung besitzt die Zentrifuge ferner ein Rohr
70 zur Abfuhr des Kuchens, das mit Düsen 72
versehen ist, die zur
Wand des zylindrischen Abschnitts 8a der Trommel 8 gerichtet sind (vgl. Fig. 2).
Außerdem ist (vgl. ebenfalls Fig. 2) eine Leitung 74 vorgesehen, deren Ende sich
bis in die Nähe des Bodens des unteren Abschnitts 8b erstreckt. Schließlich durchsetzt
eine Leitung 76 den Deckel 4, und zwar zum Waschen der Zone 56.
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Die Trommel8 hat für ihren oberen Abschnitt 8a z. B.
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einen Durchmess-er D1 von 900 mm. Außerdem besteht z. B.
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aus Titan, was wegen der dadurch erreichten Verringerung der Dichte
eine Trommel mit größerem Durchmesser für dieselbe Nenn-Drehzahl gestattet. Diese
Vergrößerung des Durchmessers im Vergleich zu bekannt.en Zentrifugen gestattet -bei
sonst gleichen Parametern - eine Erhöhung der S-tillsetz-Leistung, d. h. des D.ekantier-Wirkungsgrads.
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Die Betriebsweise der Zentrifuge ist wie folgt: Während des eigentlichen
Betriebs, der Dekantieren genannt wird, wird eine Lösung über den Kanal 42 zugeführt,
nachdem die Trommel 8 auf ihre Nenn-Drehzahl gebracht worden ist. Unter der Einwirkung
der Drehung und dank des Deflektors 44 gelangt die Flüssigkeit in die ringförmige
Dekantier-Zone 28. Die -suspendierten Teilchen legen sich an die Wand 8a an (diese
Teilchen sind durch die Kreuzchen P angedeutet) und bilden so den Kuchen. Die Flüssigkeit
tritt dann unter der Zentrifugalwirkung über den Kanal 30 aus und gelangt in die
Zone 36.
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Auf diese Weise ist die Lösung geklärt, d. h. sie enthält jetzt praktisch
nur noch suspendierte Teilchen. Diese
geklärte Lösung tritt über
den Stutzen 40 aus. Nach Klärung des Volumens von Lösung entsprechend einem vorgegebenen
Laderaum wird die Trommel 8 durch natürliches Abbremsen angehalten. Der Kuchen bleibt
dabei an der Wand 8a der Trommel haften. Die Flüssigkeiten strömen nach unten in
den Sammel-Raum 34. Mittels des Hebers wird diese Lösung entfernt, die Fragmente
von "Kuchen" stromauf zur Klärung besitzen kann, um schließlich zurückgeführt zu
werden ("Recycling").
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Wie bereits angedeutet worden ist, muß der "Kuchen", der sich an
der Wand 8b gebildet hat; weggespült werden, um daraus die Lösung abzuziehen, die
dort noch vorhanden ist. Zu diesem Zweck werden die folgenden Verfahrensschritte
durchgeführt: Mit dem Rohr 70 wird eine salpetersaure Lösung über die Düsen 72 zum
Ablösen des Kuchens eingeführt. Dies erfordert im abgebildeten Ausführungsbeispiel
ein Lösungsvolumen, das kleiner als das Volumen des Klär-Ringraums ist.
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Unter dieser Ablöse-Wirkung fällt der Schlamm in die untere Zone
34, wo er in Suspension durch vorzugsweise alternierende Drehung mit kleiner Drehzahl
der Trommel 8 gehalten wird, und zwar durch entsprechende Steuerung des Elektromotors
16. Die unteren Enden der Kanäle des Hebers 16 wirken dabei wie Rührwerke. Gleichzeitig
ergibt sich eine sehr gute Spülung. Nach diesem Verfahrensschritt des "Umrührens"
wird die Trommel allmählich auf seine Nenn-Drehzahl gebracht. Die Flüssigkeiten
und die Feststoffe bewegen sich entlang der konischen Wand 20 des unteren Abschnitts
8b der Trommel, bis sie sich zusammen im ringförmigen Klär-Raum 28 befinden, wobei
diese Bewegung bei einer Drehzahl erfolgt, die beträchtlich geringer als die Nenn-Drehzahl
ist. Nach
der Rücltbildung des Kuchens wird die Zentrifuge angehalten,
und zwar vorzugsweise durch natürliches Abbremsen.
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Die Spüllösung strönt zum Boden des unteren Abschnitts 8b zurück,
sie wird von dort stromauf zur Klärung zurückgeführt.
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Diese Spül-Verfahrensschritte werden einige Male wiederholt.
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Es ist-ersichtlich, daß dank dieser Vorrichtung-und dank dieses Verfahrens-chritts
des Spülens des Kuchensdie Anzahl der Spülungen begrenzt werden kann, jedoch bei
gleichzeitig bedeutend besserem Wirkungsgrad gegenüber den bekannten Vorrichtungen.
Da die-Anzahl der Spül-Vorgänge begrenzt ist, ist auch die Anzahl der so auftretenden
Abgänge (schmutzigen Filtrate) begrenzt.
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Nach Beendigung des Spülens befinden sich die Teilchen in der Sammel-Zone
34 und bilden eine Suspension mit hoher Teilchen-Konzentration.
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Zum Evakuieren wird die Zufuhr der Spül-Lösung fortgesetzt, wobei
die Trommel durch langsames Rotieren weiter wie ein Rührwerk auf die Lösung wirkt.
Die beladene Lösung gelangt in die überlauf-Zone 56, von wo sie in die Zone 38 abströmt.
Wenn die Konzentration der Suspension hinreichend verringert ist, wird ein zweiter
Heber, der identisch mit dem Heber 62 ist, zum E-vakuieren der Lösung benutzt.-Die
Inbetriebnahme der Heber 62 erfolgt mittels eines Kolbens 80. Der Kolben 80 befindet
sich in einer Kammer 82 im Deckel 4, die von einem kleinen Stopfen 84 verschlossen
ist (vgl. Fig. 1). Eine Kammer 80a des Kolbens 80 ist am
Stopfen
84 befestigt. Der eigentliche Kolben ist durch einen Balg 80b gebildet, der einerseits
am Stopfen 84 und andererseits an einer Kreisplatte 80c befestigt ist.
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Eine Stellstange 80d ist an der Kreisplatte 80c befestigt.
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Sie durchsetzt den Stopfen 84 und ist von einem Motor 86 angetrieben.
Die Kammer 80e des Kolbens ist mit dem Heber 62 durch einen Kanal 80f verbunden.
Es ist ersichtlich, daß durch Rückfahren der Stellstange 80d ein Unterdruck in der
Kammer 80e erzeugt wird, .der die Inbetriebnahme des Hebers auslöst. Es versteht
sich, daß auch andere (herkömmliche) Einrichtungen zur Heber-Inbetriebnahme verwendet
werden könnten. Allerdings besitzt die hier beschriebene Einrichtung beträchtliche
Vorteile. Einerseits sichert der Balg 80b eine sehr gute Dichtigkeit, weil nur statische
Abdichtungen vorhanden sind. Andererseits ist es bei einem Störfall des Hebers möglich,
durch Abheben des Stopfens 84 den gesamten Heber auszubauen.
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Aus Fig. 1 ist ferner erkennbar, daß der zweite Zweig 64 des Hebers
sich in ein Zwischen-Gefäß 90 erstreckt, das mit einem Boden 90a als Inbetriebnahme-Topf
versehen ist. Eine Leitung 92 gestattet, in den Topf 90 ein nicht zum Betrieb benötigtes
Volumen von Lösung einzuführen, was jedoch zur Inbetriebnahme erforderlich ist.
Ein zweiter Heber 94 gestattet den Abzug der Lösung.
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Die erfindungsgemäße Zentrifuge besitzt also zahlreiche Vorteile
gegenüber dem bekannten Stand der Technik: Einerseits hat sie eine unterkritische
Geometrie, insbesondere wegen der Füllung des rnittigen Raums durch die Verlängerung
4a des Deckels.
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Anderers.eits sichert sie ein besseres Dekantieren.
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Schließlich erfordert das Spülen des Kuchens nur ein verringertes
Lösungs-Volumen, was auch die Menge der flü-ssigen Abgänge verringert. Diese Verfahrensschritte
können mit verdünnten salpetersauren Lösungen durchgeführt werden, die nicht die
Gefahr eines Entflammens der Zircalloy-Teilchen mit sich bringen.
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