JP2009257770A - 気水分離器及び沸騰水型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリーアンダーをさらに低減することができる気水分離器を提供する。
【解決手段】気水分離器６は、スタンドパイプ７、ディフューザ８、スワラ９、三段の気水分離部１０ａ〜１０ｃを有する。ディフューザ８はスタンドパイプ７の上端に、スワラ９がディフューザ８内に設置される。内筒１１ａがディフューザ８の上端に、ピックオフリング１３ａが内筒１１ａの上端にそれぞれ取り付けられる。内筒１１ａとの間に排水通路１５ａを形成する外筒１２ａは、ピックオフリング１３ａに設置される。排水通路１５ａの下端部に形成された気泡回収室２２が区画部材２１と外筒１２ａの間に形成される。外筒１２ａより下方に位置する環状プレート２０が管路２２の外面に取り付けられる。排出口１８ａは環状プレート２０と外筒１２ａの下端の間に形成される。曲がり部２５を流れる水から分離された気泡は気泡回収室２２に回収される。
【選択図】図１

Description

本発明は、気水分離器及び沸騰水型原子炉に関するものである。

一般に、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという）は、原子炉圧力容器（以下、ＲＰＶという）を有し、複数の燃料集合体を装荷した炉心をＲＰＶ内に配置している。炉心に供給された冷却水は、炉心内の燃料集合体で発生した熱によって加熱されて沸騰する。この沸騰によって冷却水の一部が蒸気になる。発生した蒸気は、ＲＰＶから排出されてタービンに供給され、タービンを回転させる。タービンに連結される発電機が回転して電力を発生させる。気水分離器が、ＲＰＶ内で炉心の上方に配置されている。炉心で発生した蒸気と水を含む気液二相流が供給される気水分離器は、その気液二相流に含まれる蒸気と水とを分離して、クオリティ（全質量流量に対する蒸気質量流量の割合）の高い蒸気を発生させる機能を有する（例えば、特開２０００−１５５１９１号公報参照）。

気水分離器で分離された水は、気水分離器の外側に存在する冷却水に戻される。しかしながら、気水分離器で分離された水に気水分離器内を上昇する蒸気の一部が混入し、蒸気を含むその水が気水分離器から外側の冷却水に排出される。分離された水と共に排出された蒸気が、気泡となって周囲の冷却水に混入してＲＰＶ内のダウンカマに到達した場合は、炉心に冷却水を供給するインターナルポンプ（または再循環ポンプ）のキャビテーションの発生要因となる。この現象をキャリーアンダーという。

キャリーアンダーを抑制する気水分離器が提案されている（特開平７−２７０５７３号公報及び特開２００３−３２９７９３号公報参照）。特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器は、水平方向に伸びる環状プレートを内筒の外面に取り付け、この環状プレートを内筒と外筒の間に形成される排水通路の下方に配置している。排水通路を流下してきた蒸気を含む分離された水が環状プレートによって水平方向に放出される。このため、放出された水に含まれる気泡がその水から分離されやすくなる。

特開２００３−３２９７９３号公報の図１３に記載された気水分離器は、内筒と外筒の間に形成される排水通路の出口付近に上下に蛇行するラビリンス構造を設けている。排水通路を流下する水に含まれる気泡をそのラビリンス構造によって分離し、分離した気泡をラビリンス構造内にトラップして管路により冷却水の液面の上方に排出している。

特開２０００−１５５１９１号公報 特開平７−２７０５７３号公報 特開２００３−３２９７９３号公報

特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器は、環状プレートの設置によりキャリーアンダーが抑制される。しかしながら、排出された水の主流から分離された気泡が、再度その主流に巻き込まれることが懸念される。特に、ＲＰＶの中心軸から離れてＲＰＶ内面に近い部分に配置された気水分離器ほど、気水分離器の周囲で下方に向かう冷却水流が形成されており、排出口から排出された気泡が、再度、下方に向かう冷却水の主流に巻き込まれる可能性が増大する。

特開２００３−３２９７９３号公報の図１３に記載された気水分離器は、上下に蛇行するラビリンス構造によって気泡を分離しているが、この気泡の分離は気泡の浮力の作用を利用して行われる。浮力の作用によって水から分離される気泡は、その水に同伴する気泡の一部である。分離されなかった気泡は、水と共に冷却水流の主流に混入される。さらに、その図１３に記載された気水分離器は、ラビリンス構造で分離した気泡を管路によって冷却水の液面の上方に排出しているので、気泡と共にその液面上方に排出される水分が増加し、タービンに供給される蒸気の乾燥度が低下する恐れがある。

本発明の目的は、キャリーアンダーをさらに低減することができる気水分離器及び沸騰水型原子炉を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、内筒を取り囲む外筒の下端部に取り付けられた区画部材と外筒の間に下端が開放された気泡回収室を形成し、分離して気泡回収室内に回収した気泡を気水分離器の外部に排出する気泡放出通路を設け、外筒及び区画部材のいずれかの下端との間に排出口を形成する流れ方向変更部材を、気泡回収室の下方に配置し、流れ方向変更部材をスタンドパイプ及び内筒のいずれかに取り付けたことにある。

下端が開放された気泡回収室を設けているので、排水通路から排出口に向かう曲がり部を流れる水に含まれる気泡に浮力及び内側に向う力の両方が作用するので、その気泡を、その水から効率良く分離して、気泡回収室に回収することができる。このため、気泡回収室に回収された気泡はその水に再度巻き込まれる確率は小さいので、気水分離器６におけるキャリーアンダーをさらに低減することができる。

本発明によれば、気水分離器におけるキャリーアンダーをさらに低減することができる。

発明者らは、特開平７−２７０５７３号公報及び特開２００３−３２９７９３号公報に記載されたそれぞれの気水分離器を設置した場合におけるキャリーアンダーについて検討を行った。特に、冷却水の下向きの流れが最も強くなる、ＲＰＶの内面に最も近くに配置された気水分離器を対象に、キャリーアンダーを検討した。以下の説明は、ＲＰＶの内面に最も近くに配置された気水分離器を対象にしたものである。

特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器は、分離された水が水平方向に伸びる環状プレートによって水平方向に放出される。このため、分離された水が真下に放出される場合に比べて下降する冷却水流に同伴する気泡の量が減少する。しかしながら、分離された水が排出される、気水分離器の排出口から分離された水と共に気泡が排出されるので、キャリーアンダーの更なる低減が望まれる。

特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器におけるキャリーアンダーについて具体的に説明する。特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器の第一段の気水分離部における、分離された水を排出する排出口付近の構造を図４に示す。内筒１１ａと外筒１２ａの間に形成される排水通路１５ａの半径方向での幅、及びその排出口１８ａの高さは、共に、ｈである。鉛直の排水通路１５ａから排出口１８ａに向う曲がり部２５において、分離された水の流線は、曲がり部２５の入口とその出口の交差する点Ｏを中心に円状であるとする。曲がり部２５の入口と出口のそれぞれの幅はｈである。また、乱流の速度分布を考慮し、曲がり部２５内のどこでも、分離された水の流速はｖで一定であるとする。曲がり部２５の入口及び出口のそれぞれの幅はｈである。このような条件の下で、曲がり部２５の入口で流路の真ん中にある気泡Ａが、曲がり部２５の出口に到達したときの水の流れに垂直なr方向の移動量を求めた。気泡Ａに作用する力として、上方向に作用する浮力と、水の流れが曲がり部２５で曲がることによってｒ方向で内側に作用する力、気泡Ａが水から受ける抵抗力を考慮した。気泡Ａは初め水の流れに追従して周方向に速度ｖで移動し、ｒ方向の速度がゼロであるとする。また、気泡Ａの周方向の速度は一定とし、r方向のみの速度変化を考えた。

発明者らは、以上に述べた従来例の簡易モデルを用いて、曲がり部２５の入口で流路の真ん中にある気泡Ａを対象に、およその実機条件で気泡の直径と気泡の移動量の関係を評価した。この評価結果を図５に示す。気泡Ａの移動量は初期曲率半径ｒ₀で無次元化している。図５に示す評価結果より、気泡Ａの直径が大きいほど気泡Ａの移動量が大きくなり、排出される水の主流から分離しやすいことが分かる。流路断面での速度分布を考慮すると、ｒ／ｒ₀が０．９５程度を超えたとき、気泡Ａが主流から分離されると考えられる。したがって、気泡回収室を備えていない特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器では、分離可能な気泡はおよそ８mm以上の直径の気泡である。８mmよりも小さい直径の気泡は、分離されず、排出口１８ａから排出される水と共に気水分離器の周囲を流れる冷却水の主流に混入される。

特開２００３−３２９７９３号公報の図１３に記載された気水分離器におけるキャリーアンダーについて説明する。この気水分離器の構造を図６に示す。上下に蛇行するラビリンス構造３０が気水分離器に設置される。ラビリンス構造３０は、上昇通路３２、及び上昇通路３２に上端部で接続される下降通路３１を有する。上昇通路３２の下端部は、内筒１１と外筒１２の間に形成される排水通路１５に接続される。気泡排出管３３がラビリンス構造３０の上端に接続される。内筒１１の内面に沿って上昇した液膜は、分離されて排水通路１５内に流入する。このとき、内筒１１内を上昇する蒸気の一部も、排水通路１１内に流入する。蒸気の気泡を含む分離された水が、排水通路１５内を下降し、上昇通路３２内に達する。この水は上昇通路３２から下降通路３１内に導かれ、排水口１８ａから排出される。排水通路１５内を下降する気泡Ａの一部である気泡Ａ１は、上昇通路３２の上端部で浮力ｆ１の作用により水から分離されてラビリンス構造３０内の上端部に形成されたトラップ領域３４に溜まる。上昇通路３２内を上昇する残りの気泡Ａ２は、上昇通路３２の上端部から下降通路３１の上端部に向う曲がり部内を曲がって流れる水の流れに起因して生じる内側に向う力ｆ２の作用により、曲がり部の内側に向って移動する。この力ｆ２の作用により内側に移動する気泡Ａ２は、水から分離されず、排出口１８ａから排出される。このように、特開２００３−３２９７９３号公報の図１３に記載された気水分離器は、上昇通路３２の上端部で主に浮力ｆ１の作用で気泡が水から分離される。分離された気泡Ａ１は、トラップ領域３４から気泡排出管３３を通って冷却水３５の液面より上方に排出される。発明者らは、力ｆ２の作用によってその曲がり部の内側に移動する気泡Ａ２がかなり存在するので、特開２００３−３２９７９３号公報の図１３に記載された気水分離器ではキャリーアンダーを抑制できる余地がまだ存在することを見出した。

以上に述べた特開平７−２７０５７３号公報及び特開２００３−３２９７９３号公報に記載されたそれぞれの気水分離器におけるキャリーアンダーの検討結果を踏まえ、発明者らは、キャリーアンダーをさらに低減できる気水分離器の構造を検討した。この結果、発明者らは、浮力ｆ１及び曲がり部で内側に向う力ｆ２を有効に利用することができれば、気水分離器のキャリーアンダーをさらに低減できるとの確信を得た。発明者らは、この技術的思想を実現できる構造を検討し、図７に示す構造を有する気水分離器を考え出した。

この新しい気水分離器の機能の概略を以下に説明する。この気水分離器は、図７に示すように、後述のスタンドパイプ７及び内筒１１ａのいずれかである管路２３とこれを取り囲む外筒１２ａの間に形成される排水通路１５ａの下端部に気泡回収室２２を形成している。気泡回収室２２は、区画部材２１を外筒１２ａの内側に設置することによって、区画部材２１と外筒１２ａの間に形成される。区画部材２１の下端は外筒１２ａの下端よりも上方に位置している。気泡回収室２２は外筒１２ａに形成された開口部１９によって気水分離器の外部の領域に連通している。管路２２の外面に取り付けられる環状プレート２０が外筒１２ａの下端より下方に配置される。環状プレート２０と外筒１２ａの下端の間に排出口１８ａが形成される。排水通路１５ａは、区画部材２１と管路２３の間に形成される通路２４、及び環状プレート２０の上方で気泡回収室２２の下方に形成される曲がり部２５を経て放出口１８ａに連絡される。気泡回収室２２は、下端が開放されて曲がり部２５に連絡されている。

通路２４及び気泡回収室２２のそれぞれの半径方向での幅は０．５ｈであり、排出口１８ａの高さも０．５ｈである。曲がり部２５内を流れる水の流線は、図４に示す簡易モデルと同様に、曲がり部２５の入口と出口の交差点Ｏを中心に円状であり、曲がり部２５内を流れる水の流速はどこでも一定であるとする。このような条件の下で、曲がり部２５の入口で流路の真ん中にある気泡Ａが、曲がり部２５の出口に到達したときの水の流れに垂直なr方向の移動量を求めた。曲がり部２５内を流れるとき、気泡Ａには前述した浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２が共に作用する。

発明者らは、上記した図７に示す簡易モデルを用いて、その気泡Ａを対象に、およその実機条件で気泡の直径と気泡の移動量の関係を評価した。この評価結果を図８に示す。排水通路１５ａの出口部が気泡回収室２２の形成により絞られており、上記したように、浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２が共に作用するので、ｒ／ｒ₀が０．３３以上の気泡が曲がり部２５内を流れる水から分離されて気泡回収室２２内に回収される。浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２が共に作用した気泡Ａは、点線の矢印のように、水から分離される。図８に示す評価結果により、図７に示す気水分離器は、直径が約０．６mmの気泡まで分離することが可能である。このように気泡回収室２２を形成することによって、分離された水に含まれる直径約０．６mm以上の気泡を分離することができ、排出口１８ａから排出される水には直径が０．６mmよりも小さい気泡が含まれることになる。したがって、気泡回収室２２を備えた気水分離器におけるキャリーアンダーは著しく低減される。なお、気泡回収室２２は、後述するように、外筒１２ａの外側に形成することも可能である。

発明者らは、外筒１２ａの内側に配置した気泡回収室２２の大きさについても検討を行った。発明者らが創生した図７に示す気水分離器において、外筒１２ａの内径及び外径を図４に示す従来の気水分離器と同じにし、かつ、ある縦断面で曲がり部２５の入口の水平方向の幅と曲がり部２５の出口の幅（高さ）が同じであると仮定した。発明者らは、この条件の下で、気泡回収室２２が外筒１２ａの内側に形成されていない状態（図４）における管路２３と外筒２１ａの間の、水平方向の幅ｈに対する管路２３と区画部材２１の間のその幅の比（以下、絞り比という）と、曲がり部２５を流れる水から分離可能な気泡の最小直径Ｄ_minとの関係を評価した。この評価結果を図１１に示す。絞り比１．０は図４に示す従来の気水分離器に相当し、絞り比０．５は図７に示す気水分離器（発明者らが創生した気水分離器）に相当する。図１１により明らかであるように、絞り比が小さいほど気泡の分離効率が向上する。図１１における絞り比０．５以下の詳細を図１２に示す。図１２によれば、絞り比が０．２５の気水分離器で直径０．１mm程度の気泡を分離できることが分かる。

特開２００３−３２９７９３号公報に記載された気水分離器では、排出通路１５を下降する水に含まれた気泡が、ラビリンス構造３０の上昇通路３２から下降通路３１の曲がり部において主に浮力ｆ１の作用によって分離される。これに対し、発明者らが創生した気水分離器では、排出通路１５ａを下降する水に含まれた気泡は、曲がり部２５で浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２の両方の力の作用を受けて水から分離される。したがって、発明者らが創生した気水分離器は、特開２００３−３２９７９３号公報に記載された気水分離器に比べてさらに内側に向う力ｆ２が気泡に作用するので、特開２００３−３２９７９３号公報に記載された気水分離器よりも気泡の分離効率が増大しキャリーアンダーが低減される。

特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器でも、排出通路１５ａから排出口１８ａに向う曲がり部２５で、排出される水に含まれる気泡は浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２の作用を受ける。しかしながら、排出通路１５ａを流下する水が曲がり部２５をそのまま通って勢い良く排出口１８ａから排出されるので、それらの力の作用によって水から分離される気泡の割合が少なく、多くの気泡は排出口１８ａから排出される水と共に下降する冷却水の主流に混入される。発明者らが創生した気水分離器は、排水通路１８ａに気泡回収室２２を形成しているので、浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２を特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器に比べて効果的に気泡に作用させてこの気泡を気泡回収室２２に回収することができる。したがって、発明者らが創生した気水分離器は、特開平７−２７０５７３号公報に記載された気水分離器よりもキャリーアンダーを低減させることができる。

以上の検討に基づいて成された、本発明の実施例を以下に説明する。

本発明の好適な実施例である実施例１の、沸騰水型原子力プラント（ＢＷＲプラント）に適用された気水分離器を、図１及び図２を用いて説明する。本実施例の気水分離器を説明する前に、この気水分離器が適用されるＢＷＲプラントを説明する。このＢＷＲプラントは、原子炉１として改良型沸騰水型原子炉（以下、ＡＢＷＲという）を備え、タービン３２、復水器３３及び給水配管３４を有している（図３参照）。

原子炉１は、原子炉圧力容器（ＲＰＶ）２を備え、このＲＰＶ２内に炉心３を配置している。ＲＰＶ２内に配置された炉心シュラウド４は炉心３を取り囲んでいる。核燃料物質を有する複数の燃料集合体（図示せず）が炉心３に装荷されている。シュラウドヘッド５が炉心３より上方で炉心シュラウド４の上端部に設置され、複数の気水分離器６がシュラウドヘッド５に設置される。蒸気乾燥器２３が気水分離器６の上方でＲＰＶ２に設置される。気水分離器６及び蒸気乾燥器２３はＲＰＶ２内に配置される。環状の流路であるダウンカマ２９がＲＰＶ２と炉心シュラウド４の間に形成される。複数のインターナルポンプ２８がＲＰＶ２の底部に設置され、インターナルポンプ１８のインペラがダウンカマ２９内に配置される。主蒸気配管３１がＲＰＶ２とタービン３２を接続する。復水器３３が給水配管３４によってＲＰＶ２に接続され、給水ポンプ３５及び給水加熱器３６が給水配管３４に設置される。

ダウンカマ２９内の冷却水（冷却材）はインターナルポンプ２８の駆動によって炉心３に供給される。この冷却水は炉心３に配置された燃料集合体内の核燃料物質の核分裂で発生する熱によって加熱され、その冷却水の一部が蒸気になる。この蒸気を含む冷却水は、気液二相流の状態で炉心３から気水分離器６内に導かれる。気水分離器６は、冷却水を除去し、蒸気を排出する。この蒸気は、蒸気乾燥器２３によって含まれている液滴がさらに除去されて乾燥度を増し、主蒸気配管３１に排出される。蒸気は、主蒸気配管３１を通ってタービン３２に供給されてタービン３２を回転させる。タービンに連結された発電機（図示せず）は、回転して電力を発生する。タービン３２から排出された蒸気は、復水器３３で凝縮されて水になる。この水は、給水ポンプ３５で昇圧され、給水として給水配管３４によりＲＰＶ２内に供給される。給水は給水加熱器３６によって加熱される。気水分離器６で分離された冷却水は、ダウンカマ２９内に排出される。この冷却水は、給水配管３４によって供給される給水とダウンカマ２９内で混合され、インターナルポンプ２８内に流入する。

気水分離器６について詳細に説明する。気水分離器６は、図１に示すように、スタンドパイプ７、ディフューザ８、スワラ９、内筒１１、外筒１２及びピックオフリング１３を有する。内筒１１、外筒１２及びピックオフリング１３は気水分離部１０を構成し、気水分離器６は三段の気水分離部１０を有する。図１では、各段の気水分離部１０はａ，ｂ，ｃで区別している。すなわち、気水分離部１０ａが一段目の気水分離部であり、気水分離部１０ｂが二段目の気水分離部、及び気水分離部１０ｃが三段目の気水分離部である。図１においては、ａを付した構成要素が気水分離部１０ａの構成要素であり、ｂを付した構成要素が気水分離部１０ｂの構成要素であり、ｃを付した構成要素が気水分離部１０ｃの構成要素である。

スタンドパイプ７はシュラウドヘッド５に取り付けられる。上方（下流）に向かって内部の横断面積が拡大するディフューザ８は、下端（上流端）がスタンドパイプ７の上端（下流端）に溶接にて接合されている。複数の羽根を有するスワラ９がディフューザ８内に設置される。気水分離部１０ａがディフューザ８の上端に、気水分離部１０ｂが気水分離部１０ａの上端に、気水分離部１０ｃが気水分離部１０ｂの上端にそれぞれ設置される。気水分離部１０ａは、内筒１１ａ、外筒１２ａ及びピックオフリング１３ａを有する。内筒１１ａがディフューザ８の上端に取り付けられ、ピックオフリング１３ａが内筒１１ａの上端にそれぞれ取り付けられる。ピックオフリング１３ａは、円板部に円筒部を取り付けた構成を有し、円筒部が円板部から下方（上流）に向かって伸びている。開口１７ａが円筒部内に形成されている。気水分離器６の圧力損失低減のため、ピックオフリング１３ａの円筒部の下端部の外面にはテーパー状の面取り加工が施されている。後述のピックオフリング１３ｂ、１３ｃも、ピックオフリング１３ａと同じ構成を有している。内筒１１ａを取り囲む外筒１２ａは、ピックオフリング１３ａに取り付けられてピックオフリング１３ａから下方に向かって伸びている。環状の排水通路１５ａが内筒１１ａと外筒１２ａの間に形成される。内筒１１ａの上端部には、内筒１１ａの内部と排水通路１５ａを連絡するギャップ１４ａが形成されている。

排水通路１５ａの、ディフューザ８より下方で幅が広くなった領域内に環状の区画部材２１が配置され、この区画部材２１は、外筒１２ａの内面に取り付けられ（図２参照）、スタンドパイプ７の上端部を取り囲んでいる。下端部が開放された環状の気泡回収室２２が、区画部材２１と外筒１２ａの間に形成される。すなわち、気泡回収室２２は区画部材２１の内面及び外筒１２ａの内面に囲まれている。外筒１２ａに形成された気泡放出通路である開口部１９によって気水分離器６の外部の領域と連通している。区画部材２１の下端は外筒１２ａの下端よりも上方に位置している。外筒１２ａの下端より下方に配置される環状プレート（流れ方向変更部材）２０が、スタンドパイプ７の外面に取り付けられる。排出口１８ａは、環状プレート２０と外筒１２ａの下端の間に形成され、スタンドパイプ７を取り囲む連続した開口である。排水通路１５ａは、区画部材２１とスタンドパイプ７の間に形成される通路２４、及び環状プレート２０の上方で気泡回収室２２の下方に形成される曲がり部２５を経て放出口１８ａに連絡される。気泡回収室２２は、下端が開放されて曲がり部２５に連絡されている。開口部１９は排出口１８ａ、及び区画部材２１の下端よりも上方に位置している。

気水分離部１０ｂは、内筒１１ｂ、外筒１２ｂ及びピックオフリング１３ｂを有する。内筒１１ｂの下端がピックオフリング１３ａに取り付けられ、ピックオフリング１３ｂが内筒１１ｂの上端に取り付けられる。内筒１１ｂを取り囲む外筒１２ｂは、ピックオフリング１３ｂに取り付けられてピックオフリング１３ｂから下方に向かって伸びている。環状の排水通路１５ｂが内筒１１ｂと外筒１２ｂの間に形成される。内筒１１ｂの上端部には、内筒１１ｂの内部と排水通路１５ｂを連絡するギャップ１４ｂが形成されている。外筒１２ｂの下端部には、排水通路１５ｂと連通する排出口１８ｂが形成される。

気水分離部１０ｃは、内筒１１ｃ、外筒１２ｃ及びピックオフリング１３ｃを有する。内筒１１ｃの下端がピックオフリング１３ｂに取り付けられ、ピックオフリング１３ｃが内筒１１ｃの上端に取り付けられる。内筒１１ｃを取り囲む外筒１２ｃは、ピックオフリング１３ｃに取り付けられてピックオフリング１３ｃから下方に向かって伸びている。環状の排水通路１５ｃが内筒１１ｃと外筒１２ｃの間に形成される。内筒１１ｃの上端部には、内筒１１ｃの内部と排水通路１５ｃを連絡するギャップ１４ｃが形成されている。外筒１２ｃの下端部には、排水通路１５ｃと連通する排出口１８ｃが形成されている。

気水分離器６における気水分離の機能を具体的に説明する。炉心３から上昇した、蒸気及び冷却水を含む気液二相流が、気水分離器６のスタンドパイプ７内に流入し、スタンドパイプ７内を上昇する。蒸気はスタンドパイプ７の横断面の中央部を流れ、冷却水の大部分はスタンドパイプ７の内面に付着して液膜として存在し液膜の状態でスタンドパイプ７の内面に沿って上昇する。

気液二相流はディフューザ８内に流入する。この気液二相流はスワラ９によって旋回力が与えられ、遠心分離作用により密度の大きい水が外側に飛ばされ、密度の小さい蒸気が内筒１１ａの中心に集まって上昇する。外側に飛ばされた水は内筒１１ａの内面に付着して液膜を形成する。この液膜は、内筒１１ａの内面に沿って上昇してピックオフリング１３ａに当たり、蒸気から分離されてギャップ１４ａを通って排水通路１５ａに排出される。分離された水は、排水通路１５ａを下降して曲がり部２５を通って排出口１８ａより気水分離器６の外側に存在する冷却水３５に戻される。

排水通路１５ａを下降する水の流れが曲がり部２５で鉛直方向から水平方向に曲げられるとき、前述したように、浮力ｆ１及び内側に向う力ｆ２がその水に含まれる気泡に作用する。このため、環状リング２０の設置によって形成される曲がり部２５を流れる水に含まれる気泡は、効率良く水から分離され、気泡回収室２２内に回収される（図７参照）。回収された気泡は、気泡回収室２２から開口部１９を通って排出口１８ａより上方で冷却水の流れが遅い外筒１２ａの外面付近に放出される。開口部１９から放出された気泡は、外筒１２ａの外面に沿って冷却水３５中を上昇し、冷却水３５の液面より上方に達する。

気水分離部１０ａで水分が除去されて含有する水分の量が少なくなった気液二相流は、旋回しながら、ピックオフリング１３ａの開口１７ａを通って気水分離部１０ｂの内筒１１ｂ内に流入する。開口１７ａを通過した気液二相流に含まれた水は、外側に飛ばされ、内筒１１ｂの内面に液膜を形成する。この液膜は、内筒１１ｂの内面に沿って上昇し、ピックオフリング１３ｂに当たって蒸気から分離される。分離された液膜、すなわち、水分はギャップ１４ｂを通って排水通路１５ｂに排出される。この水分は排水通路１５ｂを下降して排出口１８ｂから冷却水３５に戻される。

気水分離部１０ｂで水分が除去されて含有する水分の量が少なくなった蒸気は、旋回しながら、ピックオフリング１３ｂの開口１７ｂを通って気水分離部１０ｃの内筒１１ｃ内に流入する。開口１７ｂを通過した蒸気に含まれた水は、外側に飛ばされ、内筒１１ｃの内面に液膜を形成する。この液膜は、内筒１１ｃの内面に沿って上昇し、ピックオフリング１３ｃに当たり、蒸気から分離される。分離された液膜である水分は、ギャップ１４ｃを通って排水通路１５ｃに排出される。この水分は排水通路１５ｃを下降して排出口１８ｃから冷却水３５に戻される。

気水分離器６で大部分の水分が除去されて少量の液滴を含む蒸気は、ピックオフリング１３ｃの開口１７ｃから排出されて蒸気乾燥器２３に流入する。

本実施例は、排水通路１５ａの鉛直方向に延びる鉛直部から排出口１８ａに向かう曲がり部２５に開口する気泡回収室２２を設けているので、排水通路１８ａを下降する水に含まれている気泡をその水から効率良く分離して、分離した気泡を気泡回収室２２に回収することができる。このため、気水分離器６におけるキャリーアンダーをさらに低減することができる。気泡の効率の良い分離は、気泡回収室２２の下端部が開口する曲がり部２５で浮力ｆ１及び内側に向かう力ｆ２が気泡に作用することによって可能になる。気泡回収室２２に一度回収された気泡は、曲がり部２５内の水の流れから隔離され、その水に再度巻き込まれることはない。

本実施例は、気泡回収室２２を形成する区画部材２１の下端が排出口１８ａの上端よりも上方に位置しているため、曲がり部２５内を流れる水から分離された気泡が気泡回収室２２内に入りやすくなり、分離された水に含まれる直径約０．６mm以上の気泡を分離することができる。その分、排出口１８ａから排出される気泡の量が少なくなる。これによっても、気水分離器６におけるキャリーアンダーをさらに低減できる。開口部１９が排出口１８ａ、及び区画部材２１の下端よりも上方に位置しているので、気泡回収部２２内に回収された気泡を、開口部１９を通して冷却水の流れが遅い外筒１２ａの外面付近に放出することができる。このため、開口部１９から放出された気泡は、気水分離器６の外側を流れる冷却水の主流に混入される確率が著しく低減される。これによっても、外筒１２ａの外面に沿って冷却水３５中を上昇し、冷却水３５の液面より上方に達する。気水分離器６におけるキャリーアンダーがさらに低減される。

気泡回収室２２は半径方向で排水通路１５ａの幅が広くなるディフューザ８よりも下方に配置されているので、隣接する気水分離器６の間隔を広くする必要がない。したがって、ＲＰＶ２の内径を大きくする必要がない。気泡回収室２２は、半径方向における幅が内筒１１ａと外筒１２ａの間よりも広いディフューザ８と外筒１２ａの間に配置してもよい。ただし、気泡回収室２２の半径方向における幅はスタンドパイプ７と外筒１２ａの間にそれを配置した場合に比べて狭くする必要がある。気泡回収室２２をディフューザ８と外筒１２ａの間に配置する場合には、好ましくは、それらの間の上端部よりも下端部側に気泡回収室２２を配置するとよい。

本発明の他の実施例である実施例２の、ＢＷＲプラントに適用された気水分離器を、図９を用いて説明する。本実施例の気水分離器６Ａは、実施例１の気水分離器６において気泡回収室２２を外筒１２ａの外側に形成した構成を有する。気泡回収室２２を外筒１２ａの外側に形成するために、区画部材２１が外筒１２ａの外面に設置される。気泡回収室２２は、外筒１２ａの外面及び区画部材２１の内面に囲まれている。環状プレート２０がスタンドパイプ７の外面に取り付けられて区画部材２１の下端よりも下方に配置され、外筒１２ａの下端が区画部材２１の下端よりも上方に配置される。開口部１９は区画部材２１の上端部に形成される。気水分離器６Ａの他の構成は気水分離器１と同じである。気水分離器６Ａも、実施例１と同様に、原子炉１のＲＰＶ２内に設置される。スタンドパイプ７と外筒１２ａの間の半径方向における幅ｈは外筒１２ａと区画部材２１の間のその幅に等しい。気泡回収室２２はディフューザ８よりも下方に配置される。

分離されて排水通路１５ａ内に流入した気泡を含む水は、排水通路１５ａを下降して曲がり部２５を経て排出口１８ａから気水分離器６Ａの外部に放出される。本実施例でも、気泡は、浮力ｆ１及び内側に向かう力ｆ２の作用を受けて水から分離され、気泡回収室２２内に達する。気泡回収室２２に回収された気泡は、開口部１９より気泡回収室２２の外に放出され、冷却水の速度が遅い外筒１２ａの外面に沿って上昇する。

曲がり部の入口で流路の真ん中にある気泡Ａが曲がり部の出口まで達したときにおける水の流れに垂直なr方向の移動量を、およその実機条件を用いて気泡の直径との関係で評価した。この結果を図１０に示す。ｒ／ｒ₀が０．３３以上の気泡が、点線の矢印のように、曲がり部２５内を流れる水から分離されて気泡回収室２２に回収される。気水分離器６Ａは、直径が約１mmの気泡まで分離可能である。すなわち、排出口１８ａから排出される水に含まれる気泡の量が低減される。

このような本実施例も、実施例１で生じる効果を得ることができる。本実施例は、外筒１２ａの下端が区画部材２１の下端よりも上方に位置しているので、分離された気泡が気泡回収室２２に入りやすくなっている。したがって、気水分離器６Ａにおけるキャリーアンダーをさらに低減することができる。ただし、気泡回収室２２が外筒１２ａの外側に位置しているので、気水分離器６Ａの相互間の間隔は気水分離器６のそれよりも広くしなければならない。なお、気泡回収室２２の内側の壁となる外筒１２ａとスタンドパイプ７との間の水平方向における幅ｈが気水分離器６のスタンドパイプ６と区画部材２１のその幅よりも広くなるので、気水分離器６Ａでは、排水流路１５ａ内の圧力損失が低減される。

発明者らは、本実施例のように気泡回収室２２を外筒１２ａの外側に配置した場合における気泡回収室の大きさについても、気泡回収室２２が外筒１２ａの内側にある場合と同様な検討を行った。この検討においても、ある縦断面で曲がり部２５の入口の水平方向の幅と曲がり部２５の出口の幅（高さ）が同じであると仮定した。ここで、絞り比はスタンドパイプ７と区画部材２１の間の水平方向の幅２ｈに対する曲がり部２５の入口のその幅の比として定義した。図９に示す本実施例の気水分離器６Ａの絞り比は０．５に相当する。この絞り比と曲がり部２５で分離可能な気泡の最小直径Ｄ_minとの関係の評価結果を図１３に示す。図１３から、気泡分離室２２が外筒１２ａの外側に配置された場合でも、絞り比が小さくなるほどより小さな直径の気泡が分離可能になることが分かる。絞り比が約０．２の気水分離器で直径０．１mm程度の気泡が分離可能であることが分かる。

気泡回収室２２を外筒１２ａの外側に配置する場合には、環状プレート２０及び区画部材２１をディフューザ８の上端より上方で冷却水３５の液面よりも下方に配置してもよい。

本発明の他の実施例である実施例３の、ＢＷＲプラントに適用された気水分離器を、図１４を用いて説明する。本実施例の気水分離器６Ｂは、実施例１の気水分離器６において環状プレート２０を、曲面を有する流れ方向変更部材２０Ａに替えた構成を有する。流れ方向変更部材２０Ａは下に凸の曲面を形成している。このため、曲がり部２５も曲がり部２５の入口から出口に向かって円滑に曲がった形状を有する。気水分離器６Ｂも、気水分離器６と同様に、曲がり部２５を流れる水から気泡を分離し、分離した気泡を気泡改修室２２内に回収することができる。

本実施例は、実施例１で生じる効果を得ることができる。本実施例は、曲面を有する流れ方向変更部材２０Ａをスタンドパイプ７の外面に取り付けているので、排水通路１５ａを下降する水が流れ方向変更部材２０Ａの曲面に沿って排出口１８ａに向かって円滑に流れる。このため、排水通路１５ａの圧力損失が低減される。

本発明の他の実施例である実施例４の、ＢＷＲプラントに適用された気水分離器を、図１５を用いて説明する。本実施例の気水分離器６Ｃは、実施例１の気水分離器６において開口部１９をディフューザ８よりも上方で外筒１２ａに形成した構成を有する。開口部１９は外筒１２ａの周方向において４箇所に形成される。区画部材２１の上端部に取り付けられる管路部材２６が外筒１２ａの内面に沿って上方に向かって開口部１９の位置まで伸びている。管路部材２６も外筒１２ａの周方向において４箇所に配置される。管路部材２６は外筒１２ａの内面にも取り付けられ、気泡回収室２２と開口部１９を連絡する気泡排出通路２７が、管路部材２６と外筒１２ａの間に形成される。気水分離器６Ｃも、気水分離器６と同様に、曲がり部２５を流れる水から気泡を分離し、分離した気泡を気泡回収室２２内に回収することができる。

本実施例も実施例１で生じる効果を得ることができる。さらに、本実施例は、開口部１９がディフューザ８よりも上方に位置し、外筒１２ａの外面の位置における開口部１９の部分（気泡放出口）が気泡排出通路２７によって気泡回収室２２に連絡されているので、気泡回収室２２内に回収した気泡が、気泡放出口によって水が排出される排出口１８ａよりもかなり上方に排出される。このため、排出された気泡が、下降する冷却水の主流に混入される確率がさらに低減される。なお、排出された気泡は、外筒１２ａの外面に沿って冷却水３５中を上昇する。

管路部材２６を設けずに、気泡放出口が気泡回収室２２の上端よりも上方に位置するように、気泡回収室２２に連絡される開口部１９を上方に向って傾斜するように外筒１２Ａａに形成してもよい。このような開口部１８ａの形成によっても実施例４で生じる効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例５の、ＢＷＲプラントに適用された気水分離器を、図１５を用いて説明する。本実施例の気水分離器６Ｄは、実施例１の気水分離器６において開口部１９の位置を気泡回収室２２の上端よりも下方に配置した構成を有する。このため、気泡回収室２２の上端部に気泡溜め２８が形成される。曲がり部２５を流れる水から分離された気泡は、気泡回収室２２に回収されて気泡溜め２８に溜められる。気泡溜め２８に溜まった気泡が、開口部１９から気水分離器６Ｄの外に排出される。

本実施例は、実施例１で生じる効果を得ることができる。本実施例は、気泡溜め２８を形成しているので、開口部１９から直径が大きくなった気泡が排出される。したがって、放出された気泡の浮力が大きいので、気水分離器６Ｄで下降する冷却水３５の主流に巻き込まれ難くなり、冷却水３５の液面上方に到達しやすくなる。これは、気水分離器６Ｄにおけるキャリーアンダーの低減に貢献する。

開口部１９を水平方向に形成するのではなく、外筒１２ａの外面の位置における開口部１９の部分（気泡放出口）が外筒１２ａの内面の位置における開口部１９の部分よりも下方に位置するように、開口部１９を下向きに傾斜させて形成することも可能である。

本発明の他の実施例であるＢＷＲプラントを、図１７〜図１９を用いて以下に説明する。実施例１から実施例５は、それぞれの実施例の一種類の気水分離器を備えたＢＷＲプラントである。本実施例のＢＷＲプラントは、二種類の気水分離器を備えている。

本実施例のＢＷＲプラントは、ＲＰＶ２内に気水分離器６，６Ｅを設置した原子炉１を有する。気水分離器６Ｅは、環状プレート２０、区画部材２１及び気泡回収室２２を備えていなく、排出口１８ａが下向きになっている（図１９参照）。本実施例のＢＷＲプラントの他の構成は実施例１のＢＷＲプラントと同じである。気水分離器６，６Ｅはシュラウドヘッド５に設置される。気水分離器６Ｅはシュラウドヘッド５の上面の内側領域４２に配置され、気水分離器６はシュラウドヘッド５の上面で内側領域４２を取り囲む外側領域４０に配置される。

原子炉１内の気水分離器配置領域では、内側領域４２よりも外側領域４０で冷却水の下降流が強くなる。このように、下降流が強い外側領域４０に、キャリーアンダーを低減できる気水分離器６を配置することによって、原子炉１におけるキャリーアンダーを少なくすることができる。内側領域４２では下降流が弱く、どちらかといえば水平方向でＲＰＶ２の内面に向う冷却水の流れが強いので、気水分離器６Ｅの排出口１８ａから下向きに排出された水に含まれた気泡は、冷却水３５と共に水平方向に流れている間に冷却水の流れから分離され、冷却水３５の液面上方に達する。

気水分離器６を外側領域４０に、気水分離器６Ｅを内側領域４２に配置した本実施例の原子炉１は、キャリーアンダーを低減することができる。

本発明の他の実施例であるＢＷＲプラントを、図２０〜図２２を用いて以下に説明する。本実施例のＢＷＲプラントも、実施例６のＢＷＲプラントと同様に、二種類の気水分離器を原子炉１内に設置している。これらの気水分離器は、気水分離器６，６Ｆである。本実施例のＢＷＲプラントの他の構成は実施例１のＢＷＲプラントと同じである。気水分離器６，６Ｆはシュラウドヘッド５に設置される。気水分離器６Ｆは、特開平７−２７０５７３号公報の図５に記載された気水分離器と同様に、外筒１２ａの下端より下方に水平方向に伸びる環状プレート２０を配置し、この環状プレート２０をスタンドパイプ７の外面に取り付けている（図２２参照）。内筒１１ａと外筒１２ａの間に形成される環状の排水通路１５ａに連絡される排出口１８ａは、外筒１２ａの下端と環状プレート２０の間に形成され、水平方向を向いている。気水分離器６Ｆはシュラウドヘッド５の上面の内側領域４２に配置され、気水分離器６はシュラウドヘッド５の上面で内側領域４２を取り囲む外側領域４０に配置される。

内側領域４２よりも外側領域４０で冷却水の下降流が強くなる。このように、下降流が強い外側領域４０に、キャリーアンダーを低減できる気水分離器６を配置することによって、原子炉１におけるキャリーアンダーを少なくすることができる。内側領域４２では下降流が弱く、どちらかといえば水平方向でＲＰＶ２の内面に向う冷却水の流れが強いので、排出口１８ａから水平方向に排出された気泡は、水平方向に流れている間に冷却水の流れから分離され、冷却水３５の液面上方に達する。

気水分離器６を外側領域４０に、気水分離器６Ｆを内側領域４２に配置した本実施例の原子炉１は、キャリーアンダーを低減することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の、ＢＷＲプラントに適用される気水分離器の縦断面図である。 図１に示す気水分離器の気泡回収室付近の拡大縦断面図である。 図１に示す気水分離器が適用されたＢＷＲプラントの構成図である。 従来例の気水分離器の排出口付近の縦断面図である。 図４に示す気水分離器における気泡の直径とｒ／ｒ₀の関係を示す特性図である。 他の従来例の気水分離器における排出口付近の縦断面図である。 図１に示す気水離器の曲がり部を流れる水から気泡が分離される状態を説明する説明図である。 図７に示す気水分離器、すなわち、図１に示す気水分離器における気泡の直径とｒ／ｒ₀の関係を示す特性図である。 本発明の他の実施例である実施例２の、ＢＷＲプラントに適用される気水分離器の排水口付近の縦断面図である。 図９に示す気水分離器における気泡の直径とｒ／ｒ₀の関係を示す特性図である。 気泡回収室を外筒の内部に形成している気水分離器の排水通路の絞り比と分離できる気泡の最小直径の関係を示す特性図である。 図１１に示す特性の一部を拡大した特性図である。 気泡回収室を外筒の外部に形成している気水分離器の排水通路の絞り比と分離できる気泡の最小直径の関係を示す特性図である。 本発明の他の実施例である実施例３の、ＢＷＲプラントに適用される気水分離器の排水口付近の縦断面図である。 本発明の他の実施例である実施例４の、ＢＷＲプラントに適用される気水分離器の排水口付近の縦断面図である。 本発明の他の実施例である実施例５の、ＢＷＲプラントに適用される気水分離器の排水口付近の縦断面図である。 ＢＷＲプラントの他の実施例の、気水分離器の配置部の構成図である。 図１７に示すＢＷＲプラントおける二種類の気水分離器の配置を示す説明図である。 図１７に示す気水分離器配置の内側領域に配置される気水分離器の縦断面図である。 ＢＷＲプラントの他の実施例の、気水分離器の配置部の構成図である。 図２０に示すＢＷＲプラントおける二種類の気水分離器の配置を示す説明図である。 図２０に示す気水分離器配置の内側領域に配置される気水分離器の縦断面図である。

符号の説明

１…原子炉、２…原子炉圧力容器、３…炉心、４…炉心シュラウド、６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ…気水分離器、７…スタンドパイプ、８…ディフューザ、９…スワラ、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…気水分離部、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…内筒、１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…外筒、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…ピックオフリング、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ…通水通路、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…排出口、１９…開口部、２０…環状プレート（流れ方向変更部材）、２０Ａ…流れ方向変更部材、２１，２１Ａ…区画部材、２２…気泡回収室、２５…曲がり部、２７…気泡排出通路。

Claims (13)

1. 気液二相流を導くスタンドパイプと、前記スタンドパイプの下流端に接続され、下流に向かって拡がるディフューザと、前記ディフューザ内に設置されたスワラと、内筒、前記内筒を取り囲み前記内筒との間に排水通路を形成する外筒、及び前記外筒の下流端に取り付けられて開口部が形成されたピックオフリングを有し、前記内筒と前記ピックオフリングの間にギャップを形成している複数の気水分離部とを備え、
   前記複数の気水分離部が下流に向かって順次配置され、最も上流に位置する前記気水分離部の前記内筒が前記ディフューザに設置され、
   前記外筒の下端部に取り付けられた区画部材と前記外筒の間に下端が開放された気泡回収室を形成し、分離して前記気泡回収室内に回収された気泡を気水分離器の外部に排出する気泡放出通路を設け、前記外筒及び前記区画部材のいずれかの下端との間に排出口を形成する流れ方向変更部材を、前記気泡回収室の下方に配置し、前記流れ方向変更部材を前記スタンドパイプ及び前記内筒のいずれかに取り付けたことを特徴とする気水分離器。
2. 前記気泡回収室が前記外筒より内側に配置され、前記排出口が前記外筒の下端と前記流れ方向変更部材の間に形成される請求項１に記載の気水分離器。
3. 前記外筒の下端が前記区画部材の下端よりも下方に位置している請求項２に記載の気水分離器。
4. 前記気泡回収室が前記ディフューザよりも下方に配置され、前記流れ方向変更部材を前記スタンドパイプに取り付けた請求項２または３に記載の気水分離器。
5. 前記気泡回収室が前記外筒より外側に配置され、前記排出口が前記区画部材の下端と前記流れ方向変更部材の間に形成される請求項１に記載の気水分離器。
6. 前記区画部材の下端が前記外筒の下端よりも下方に位置している請求項５に記載の気水分離器。
7. 前記流れ方向変更部材の上面が下方に向かって凸になる曲面になっている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気水分離器。
8. 前記気泡放出通路の気泡放出口が前記気泡回収室の上端よりも上方に位置している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気水分離器。
9. 前記気泡放出通路の気泡放出口が前記排出口よりも上方で前記気泡回収室の上端よりも下方に位置している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の気水分離器。
10. 原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に配置された炉心と、前記原子炉圧力容器内で前記炉心の上方に配置され、前記炉心を取り囲む炉心シュラウドに設置されたシュラウドヘッドと、前記シュラウドヘッドに取り付けられ、前記炉心よりも上方に配置された請求項１ないし９のいずれか１項に記載の複数の気水分離器とを備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉。
11. 原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に配置された炉心と、前記原子炉圧力容器内で前記炉心の上方に配置され、前記炉心を取り囲む炉心シュラウドに設置されたシュラウドヘッドと、前記シュラウドヘッドに取り付けられる複数の気水分離器のうち、前記シュラウドヘッドの外側領域に配置される複数の前記気水分離器が請求項１ないし９のいずれか１項に記載の気水分離器であることを特徴とする沸騰水型原子炉。
12. 前記外側領域に取り囲まれる、前記シュラウドヘッドの内側領域に配置される複数の前記気水分離器が、
    前記気泡回収室及び前記流れ方向変更部材を有していなく、前記スタンドパイプと、前記ディフューザと、前記スワラと、前記内筒、前記内筒との間に前記排水通路を形成する前記外筒、及び前記ピックオフリングを有して前記ギャップを形成している複数の前記気水分離部とを備え、最も上流に位置する前記気水分離部の前記内筒が前記ディフューザに設置され、前記排水通路の排出口が下向きになって構成されている、
    請求項１１に記載の沸騰水型原子炉。
13. 前記外側領域に取り囲まれる、前記シュラウドヘッドの内側領域に配置される複数の前記気水分離器が、
    前記気泡回収室を有していなく、前記スタンドパイプと、前記ディフューザと、前記スワラと、前記内筒、前記内筒との間に前記排水通路を形成する前記外筒、及び前記ピックオフリングを有して前記ギャップを形成している複数の前記気水分離部と、前記流れ方向変更部材とを備え、最も上流に位置する前記気水分離部の前記内筒が前記ディフューザに設置されて構成されている、
    請求項１１に記載の沸騰水型原子炉。

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