JP2012508871A - 加圧水形原子炉の燃料集合体 - Google Patents

Abstract

加圧水形原子炉の燃料集合体において、スペーサ（６）に加えて案内構造部品（８）が配置され、この案内構造部品（８）は、中心縦軸線（４）に対して垂直な平面においてその中心（Ｍ）が中心縦軸線（４）上に位置する正方形内部範囲（２４）を取り囲む４つの外側帯板（２０）を有している。これらの外側帯板（２０）は運転状態において流れる冷却水の上流側の下側長手面に内部範囲に向いた方向転換羽根（３０）を有し、構造的に同一であり、対抗して位置する外側帯板（２０）が軸方向に延びる中心平面（２１）に関して鏡面対称に配置されている。かかる構造部品（８）はたかだか燃料集合体における燃料棒総数より少数の燃料棒（１２）に対して、それぞれ１つの燃料棒（２）が貫通して導かれる複数のセル（２７）を形成し、行（１４）と列（１６）の中に存在するこれらのセル（２７）の数はその行（１４）と列（１６）に存在する燃料棒の数より少ない。
【選択図】図７

Description

本発明は加圧水形原子炉の燃料集合体に関する。

多くの検査結果から、加圧水形原子炉の燃料集合体がその使用期間の経過中に炉心内におけるその位置に関係して曲がり、それにより、炉心全体においてシステム的な曲がりパターンが生ずることが知られている。その原因は例えば長さ熱膨張における異方性や、放射線照射により誘起される燃料棒被覆管や制御棒案内管の長さ成長や、燃料集合体の縦軸線に対して横方向の横流により発生される流れ力にある。この曲がりは不利な場合には制御棒の動きを悪くしたり、燃料集合体交換時における問題を生じさせる。

実際に観察されたかかる燃料集合体の曲がりや歪みは図２に線図で示されている。この線図において、例えば照射済み１８×１８形燃料集合体において生ずるような下側の棒保持板からｍ単位で測定した燃料集合体の高さｈに対する曲がりｄの寸法がｍｍ単位で表されている。この図からそれが略Ｃ−円弧状曲がり（基本モード）であることが理解でき、このＣ状曲がりに主にＳ状曲がりの形の１つ高次のモードの曲がりが或る寸法まで重畳されている。

従来においてかかる曲がりの寸法を減少するために、燃料集合体を機械的により安定に設計することおよび抑え力を減少することが試みられていた。その代わりに特許文献１では、燃料集合体に存在する複数のスペーサを燃料集合体におけるそれらの位置に関係して構造的に異ならせて形成することが提案され、その場合、上部範囲に配置されるスペーサは下部範囲に配置されるスペーサより横流に対して小さな流れ抵抗を有している。この処置は、本質的に燃料集合体の上述したＣ−円弧状曲がりのために燃料集合体の縦方向すなわち軸方向に流れる冷却水に横流成分が加えられるという観察に基づいている。鉛直線に対して垂直なこの横流成分は、燃料集合体の下部範囲において、即ち、流れる冷却水の方向に見て曲がりの大きさ即ち理想的な鉛直線からの変位が増大する範囲においては、変位の最大値の上側の範囲において今度は減少している変位により生ずる横流成分とは逆に向いている。従って、横流は下部範囲においては燃料集合体にこの下部範囲における曲がりの大きさを減少する力を加え、他方で、上部範囲における逆向きの横流は曲がりの増大を生じさせ、これによって、実際に図２を参照して上述したＣ−円弧状曲がりのＳ−状曲がりとの重畳が生ずる。それに応じて特許文献１で提案された処置は、上部範囲で生ずる力の大きさ従って不安定化傾向および塑性変形発生傾向が、上部範囲に配置されたスペーサが横流に対して下部範囲に存在するスペーサよりも小さな流れ抵抗で抵抗することによって減少される、という考えに基づいている。かかる処置はしかしスペーサの高価な構造変更を必要とする。

西独国特許出願公告第１０２００５０３５４８６Ｂ３号明細書 西独国特許出願公告第１０３５８８３０Ｂ３号明細書 米国特許第４７６２６６９号明細書 欧州特許出願公開第０２３７０６４Ａ２号明細書

本発明の課題は、運転中に曲がりが少なく、それぞれの燃料集合体に利用されるスペーサの構造変更を必要としない加圧水形原子炉の燃料集合体を提供することにある。

上述の課題は請求項１に記載の特徴を有する燃料集合体によって解決される。２つのスペーサ間におけるかかる流れ案内構造部品の設置によって、軸方向に流れる冷却水が隣り合う２つの燃料集合体間に存在するより大きな幅を有する隙間の中により多く方向転換される。これによって、より広い隙間に向けられた横力が燃料集合体に与えられる。そしてこの横力は、燃料集合体の塑性クリープ変形を生じさせ、この塑性クリープ変形により燃料集合体の片側における広い隙間の幅が減少し、反対側における狭い隙間が拡大する。

本発明は、従来観察された曲がりの主な原因が流れる冷却水と燃料集合体との相互作用にあり、その場合、或る燃料集合体とそれに隣接する燃料集合体がまだ曲がりを有していない場合であっても、一般にいわゆる旋回羽根や混合羽根が装備されたスペーサの構造的な非対称のために、燃料集合体におけるスペーサの内部を流れる冷却水によりこの燃料集合体に方向性を有する力が与えられる、という考えに基づいている。この構造的な非対称は混合羽根自体の配置によって並びに燃料棒を支持するためにスペーサのセルの内部に存在する突起とばねによって引き起こされている。

この非対称に基づいて作用する方向性を有する力は、運転中に特許文献２に詳述された炉心のシステム的な曲がりを生じさせる１つないし複数の燃料集合体の方向性曲がりを発生する。１つあるいは複数の本発明に基づくかかる構造部品のはめ込みによって、従来公知の燃料集合体の曲がりを生じさせる力を、かかる非対称によって引き起こされた力が作用する方向と無関係に、小さな曲がりがある場合にも広範に相殺ないし最小にすることができる。これは、燃料集合体の全側面において流れ状態が同一であるとき、即ちそれに隣接する複数の燃料集合体がまだ曲がりを有していないときには、燃料集合体の内部でこの構造部品の範囲において軸方向に流れる冷却水によって燃料集合体に横力が与えられず、この燃料集合体の外側でこの構造部品の範囲において、異なった隙間幅により引き起こされた異なった流れ状態が存在するときにはじめて横力が生ずるように、これらの構造部品が対称構造を有することによって達成される。

また本発明に基づく構造部品は、従来において補助混合格子あるいは安定化格子として知られ、それぞれ燃料棒あるいは制御棒案内管が貫通して導かれるスペーサと同数のセルを有するか、あるいは特許文献３で公知の振動減衰用中間格子の場合のように少なくとも周縁部に存在する燃料棒がセルを貫通して導かれこれに支持されているようないわゆる中間格子ではない。即ち、本発明に基づく構造部品の場合、セルが全く形成されていないか、あるいは場合によっては、構造部品の外側帯板あるいは場合によって存在する内側帯板が制御棒案内管に又は燃料集合体においてスペーサに固く溶接された他の構造管に固定され、好適にはこれに溶接されている場合にだけ構造的理由から生ずるスペーサのセル数よりかなり少ないセル数しか有していない。またこの構造要素で形成されたセル内におい複数の燃料棒は特許文献３で知られた中間格子の場合のようにばね要素や突起によって弾力的に支持されてはいない。それどころかこれらの燃料棒はそれらのセルをセル壁に接触することなしに貫通して導かれている。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に挙げられている。

本発明のさらなる説明にあたり図を参照されたい。

本発明に基づく燃料集合体の概略原理図。 従来観察された燃料集合体における高さｈに関する曲がりｄを表す線図。 燃料集合体の概略横断面図でのスペーサの平面図。 燃料集合体の概略横断面図での本発明に基づく流れ案内構造部品の実施例の平面図。 燃料集合体の概略横断面図での本発明に基づく流れ案内構造部品の異なる実施例の平面図。 燃料集合体の概略横断面図での本発明に基づく流れ案内構造部品の異なる実施例の平面図。 図４の実施例における流れ案内構造部品を備えた燃料集合体の部分縦断面図。 図７に示された流れ案内構造部品の外側帯板の平面側における正面図。 図６に応じて形成された流れ案内構造部品を備えた燃料集合体の部分縦断面図。 加圧水形原子炉の炉心における曲がった燃料集合体についての概略縦断面図。 本発明に基づく構造部品の範囲における互いに隣り合う本発明に基づく燃料集合体の原理図。 加圧水形原子炉の炉心における並んで配置され同じように曲がった燃料集合体についての概略図。

図１において本発明に基づく燃料集合体は多数の燃料棒２を有し、これらの燃料棒２は互いに平行に中心縦軸線４に沿って延び、その中心縦軸線の方向に互いに間隔を隔てて配置された複数のスペーサ６で案内されている。スペーサ６間にそれぞれ一つの流れ案内構造部品８が配置され、その各案内構造部品８は燃料棒２を案内するために用いられず、その機能について以下に詳述する。図において隣り合うスペーサ６間のすべての中間空間にそれぞれ唯一の構造部品８が設けられている。しかし基本的には燃料集合体において隣り合うスペーサ６間に複数の構造部品８を配置することもできる。同様に隣り合うスペーサ６間の各中間空間にかかるスペーサ８がなくてもよい。そのような場合、これらの構造部品８は好適には燃料集合体の上部部位に配置されている。

図３の概略断面図は１つのスペーサ６を著しく単純化した平面図で示している。この図から、スペーサ６が複数の格子帯板１０で構成され行１４と列１６を成して配置された多数の正方形セル１２を備えた１つの正方形格子を形成していることが理解できる。若干数のこれらのセル１２を通してそれぞれ制御棒案内管１８（および図の実施例では図示されていないが、場合により存在する構造管）が貫通して導かれ、その各管はそれが接する格子帯板１０に結合され例えば溶接されている。残りのセル１２を通してそれぞれ複数の燃料棒２が貫通して導かれ、その中で半径方向に弾力的に支持されているが、図では分かり易くする理由からそのうちの少数しか示されていない。相互に溶接された格子帯板１０は、図の概略表示では詳細には示されていない他の構造要素、例えば燃料棒２を支持するための突起とばね並びに流れ案内要素、例えばその上側面に、即ち、使用中に流れる冷却水の下流側の面にスペーサ６の後流において冷却水の混合を発生するために配置された羽根を有している。また周縁部に存在する複数の格子帯板１０は燃料集合体交換時に燃料集合体の引っ掛かりを防止する、燃料集合体の内部に傾斜して向いた図示されていない複数の羽根が設けられている。格子帯板は図示された単一壁の格子帯板１０の代わりに、例えば特許文献４で知られたスペーサの場合のように二重壁で内部流路を備えて形成することもできる。

図４に同様に概略平面図で示された本発明に基づく流れ案内構造部品８の実施例において、これが主に専ら４つの外側帯板２０で構成されていることが理解でき、これらの外側帯板２０は中心縦軸線４に対して垂直な平面にわたって広がり、燃料集合体の正方形内部範囲を取り囲んでおり、この燃料集合体の中心Ｍが中心縦軸線４上に位置する。図示された実施例において、複数の外側帯板２０は燃料集合体の横側縁部に配置され、燃料集合体の全セル１２を包囲する結合枠を形成している。基本的には外側帯板２０は燃料集合体の横寸法より短くすることもでき、これによって、外側帯板２０はこれが縁に配置されているとき燃料集合体を取り囲まない。また外側帯板２０は燃料集合体の内部に例えば縁から１つの行１４あるいは１つの列１６を隔てて配置することもでき、この場合も結合枠を形成する。

これらの外側帯板２０は構造的に同一であり、互いに対向して位置する外側帯板２０は軸方向に延びる中心平面２１に関して鏡面対称に配置されている。

制御棒案内管１８に溶接された枠状ホルダ２２が外側帯板２０に取り付けられ、このようにして、構造部品８が燃料集合体に取り付けられる。この例ではその制御棒案内管は複数の制御棒案内管１８で確定されハッチングで明示された正方形内部範囲２４の角点に配置された制御棒案内管１８である。その場合、全制御棒案内管１８はこの内部範囲２４の内部に存在している。それに応じて、ホルダ２２は角点に存在する制御棒案内管１８までしか延びておらず、従って、図示された格子帯板１０より短い。これらのホルダ２２は必ずしも内部範囲２４の角点に存在する制御棒案内管１８に達している必要はなく、基本的には縁部に又は内部範囲２４の内部に存在する他の制御棒案内管１８にも溶接できる。同様に外側帯板ごとに２つのホルダ２２の代わりに１つあるいは２つ以上のホルダ２２を設けることもできる。

図５の実施例において、複数の枠状ホルダ２２は細長いウェブ板として形成され、このウェブ板は内部範囲２４の縁において陰影線で示された内部位置の格子帯板１０に対して平行に延び、燃料集合体の全幅にわたって延び、即ち、格子帯板１０と同じ長さ寸法を有している。

図４と図５の実施例における構造部品８では、スペーサのセル１２に相当する、それぞれ唯一の燃料棒２だけが貫通して導かれるセルは形成されていない。

図６の実施例において、燃料集合体の横側縁部に配置された各外側帯板２０に対して平行して追加的にそれぞれの１つの行１４ないし１つの列１６の距離を隔てて複数の内側帯板２６が設けられ、これらの内側帯板２６は相互に、また外側帯板２０に、および同様に図５におけるウェブ板として形成されたホルダ２２に溶接され、同様に燃料集合体の正方形内部範囲を包囲する結合枠を生じている。それらのホルダ２２と複数の内側帯板２６は燃料集合体の角部位にそれぞれ１つの燃料棒が貫通して導かれる４個のセル２７を形成している。その構造要素８で形成されたセル２７の数は、構造要素８で発生される流れ抵抗をできるだけ小さくするために、燃料集合体における燃料棒の総数より常に極めて少ない。

図に示された実施例の代わりに、内側帯板２６を図４の短いホルダ２２と組み合わせることもできる。

すべての実施例において、構造要素８により形成され行１４ないし列１６を成して存在するセル２７の数はその行１４ないし列１６にそれぞれ存在する燃料棒の数より少ない。換言すれば、外側帯板２０とホルダ２２との間、場合によっては存在する内側帯板２６とホルダ２２との間に入れられた燃料棒２２の数は、場合により構造要素８で形成されたセル２７より極めて多い。

図７において、図４に示された構造部品８の各外側帯板２０がその下縁２８に、即ち、運転状態において上向きに流れる冷却水Ｋの上流側の長手面に、燃料集合体の内部に向いた複数の方向転換羽根３０が設けられていることが理解できる。これらの方向転換羽根３０は中間空間の中に、あるいは燃料集合体の縁部に配置された燃料棒２間に存在する隙間の中に突出している。これらは隣り合う燃料集合体の間に外側帯板２０で形成された隙間３２の中に冷却水Ｋを導くために使われる。図には隣り合う一方の燃料集合体の外側帯板２０が概略的に示されている。さらに図７から、外側帯板２０が細長い鋼板として形成されたホルダ２２と制御棒案内管１８に溶接されていることが理解できる。その鋼板の高さは好適には、追加的構造部品で発生される流れ抵抗を十分な安定性のもとで最小に減少するために、スペーサに利用された格子帯板の高さより低い。

外側帯板２０の上側長手面には好適には下側長手面と同様に、内側に向いた複数の羽根３４が設けられ、これらの羽根は下側の方向転換羽根３０とは異なって、まず第１に燃料集合体の炉心への挿入ないし炉心からの取り出しを容易にするための滑り斜面として用いられる。

図８における外側帯板２０の正面図において、両長手面に配置された複数の方向転換羽根３０ないし羽根３４が台形を有していることが理解できる。

図９から、図６の実施例において外側帯板２０に隣接する内側帯板２６がその下側長手面に同様に燃料集合体の内部に向いた複数の方向転換羽根３０を有していることが理解できる。

外側帯板２０の高さＨ１は好適には内側帯板２６の高さＨ２より低い。その高さ差は、下から流れて来る冷却水Ｋを隣り合う燃料集合体の外側帯板２０間に位置する隙間の中に効果的に方向転換させるために、これらの方向転換羽根３０がほぼ共通平面内に位置するようにこれらの方向転換羽根３０の寸法および傾斜角αについて互いに調和されている。

外側帯板２０並びに内側帯板２６はそれぞれ構造的に同一であり、燃料集合体の軸方向に延びる中心平面に対して鏡面対称に構成され、これによって、燃料集合体の全側面において流れ状態が同一であるとき、下から流れて来る冷却水の方向転換により燃料集合体に与えられる横力が互いに相殺される。

図１０〜図１２に加圧水形原子炉の理想化された炉心に対して本発明に基づく構造部品８が設けられた燃料集合体の作用が概略的に図解されている。その燃料集合体は構造的に、炉心内のすべての燃料集合体が曲がりを有さず、かつ燃料集合体間に存在する隙間が同じ大きさである場合、かかる理想的あるいは平衡状態の燃料集合体の中およびそのそばを軸方向に流れる冷却水によって燃料集合体に液圧的横力が与えられないように設計されている。

さて図１０は、炉心内に配置された燃料集合体の１つが、例えば位置ＩＩＩに存在する燃料集合体が実際の燃料集合体で観察されるような典型的な初期曲がりを有し、他方でその列でそれぞれ隣接する他の理想的燃料集合体がまだ直線形状を有している状態を示している。この理想化して示された状態において、真直ぐな燃料集合体間の隙間はそれぞれ同じ幅ｂを有し、炉心バレル４０と炉心の周縁部に存在する燃料集合体との間に幅ｂ₀を有している。位置ＩＩＩにおける燃料集合体の曲がりに基づいて、この燃料集合体とその両隣の位置ＩＩないし位置ＩＶにおける燃料集合体との間の隙間３２ａ、３２ｂは隙間幅ｂ_a≠ｂ_bを有している。この異なった隙間幅ｂ_a＞ｂおよびｂ_b＜ｂはいまや位置ＩＩないし位置ＩＶにおける燃料集合体に右向き力Ｆ_IIないしＦ_IVを作用させ、他方で位置ＩＩＩにおける燃料集合体に左向き力Ｆ_IIIが作用する。

このことは位置ＩＩと位置ＩＩＩにおける燃料集合体に対して図１１に詳細に図解されている。下から流れて来る冷却水Ｋは構造部品８の内部方向に傾けられた方向転換羽根３０によって加速される。その場合、広い隙間３２ａの液圧的抵抗が狭い隙間３２の液圧的抵抗より小さいので、冷却水Ｋはその広い隙間３２ａの方向に優先して流れる。従ってその狭い隙間３２において冷却水Ｋは隙間３２ａにおけるよりも低い速度ｖ＜ｖ_aで流れる。この結果、広い隙間３２ａにおいて隙間３２におけるよりも低い圧力がかかり、これによって、位置ＩＩにおける燃料集合体に図において右向きの力Ｆ_IIが与えられる。これに相応して位置ＩＩＩに存在する燃料集合体に左向き力Ｆ_IIIが作用する。

位置ＩＩと位置ＩＶにおける燃料集合体に作用する力Ｆ_IIないし力Ｆ_IVはいまや元の曲がっていない燃料集合体への曲がりを生じさせ、この曲がりは、図１２に破線で図示の燃料集合体を参照して図解されているように平衡状態において全燃料集合体が同じ向きのＣ−円弧状曲がりを有するまで、炉心の全燃料集合体に伝播されるであろう。

またかかる同じ向きの曲がりは、位置Ｉにおける燃料集合体と炉心バレルとの間に存在する隙間３２が図１２のように、幅ｂ₀′＞ｂ₀に増大されるようにさせるであろう。それに応じて、右側縁部に存在する燃料集合体と炉心バレル４０との間の隙間３２は幅ｂｏ″＜ｂ₀に縮小される。このようにして、図示された実施例においてその外側燃料集合体にそれぞれ上述した作用に対抗する左向き力Ｆが作用し、これによって、炉心バレル４０で形成された周辺条件によって、全燃料集合体が広範に真っ直ぐな向きを回復するか新たに得る平衡状態が炉心内に引き起こされる。この自己直線化過程はすべての隙間、即ち、隣り合う燃料集合体間の隙間並びに炉心の縁部に存在する燃料集合体と炉心バレルとの間の隙間がほぼ同じ大きさであるときに明らかに完成状態となる。

図１０と図１２に示された状態は、従来観察された液圧的に引き起こされた作用が生じない相応の理想的燃料集合体を前提とする理想化された関係を表している。上述した液圧的に引き起こされた横力が真直ぐな整列および同一の隙間幅においても生ずる従来公知の燃料集合体に本発明に基づく構造部品８が装備されると、曲がりは厳密に言えば完全には防止されないが、少なくとも許容程度には減少される。炉心の燃料集合体の曲がりを減少するかかる作用は、炉心の一部だけに本発明に基づく燃料集合体が装着される場合にも、又は炉心内に存在する燃料集合体すべてが１つあるいは複数の本発明に基づく構造部品８を有していない場合でも得られる。

本発明の主要な基本的考えは、本発明に基づく流れ案内構造部品８の存在によって、曲がりの発生時および異なった隙間幅の発生時に、液圧的に引き起こされ且つ曲がりを発生する力に対抗する力が燃料集合体に加えられ、これによって、平衡状態において危険のない曲がりしか発生せず、炉心全体が常に真っ直ぐに整列する傾向を有することにある。

２ 燃料棒
４ 中心縦軸線
６ スペーサ
８ 構造部品
１２ セル
１４ 行
１６ 列
２０ 外側帯板
２１ 中心平面
２４ 内側範囲
２６ 内側帯板
２７ セル
３０ 方向転換羽根
Ｋ 冷却水

Claims (8)

1. ａ）多数の燃料棒（２）が中心縦軸線（４）の方向において互いに間隔を隔てられた複数のスペーサ（６）で案内され、
   ｂ）これらのスペーサ（６）がそれぞれ複数の格子帯板（１０）で構成され多数のセル（１２）を備えた正方形格子を形成し、
   ｃ）これらのセル（１２）が行（１４）と列（１６）とに配置され、
   ｄ）少なくとも互いに軸方向に隣接する２つのスペーサ（６）間に１つの流れ案内構造部品（８）が配置され、
   ｅ）この流れ案内構造部品（８）が、中心縦軸線（４）に対して垂直な平面においてその中心（Ｍ）が中心縦軸線（４）上に位置する１つの正方形内部範囲（２４）を取り囲む４つの外側帯板（２０）を有し、
   ｆ）前記複数の外側帯板（２０）が運転状態において流れる冷却水の上流側の下側長手面に前記内部範囲に向いた複数の方向転換羽根（３０）を有し、
   ｇ）前記複数の外側帯板（２０）が構造的に同一であり、対抗して位置する両外側帯板（２０）が軸方向に延びる中心平面（２１）に関して鏡面対称に配置され、
   ｈ）前記構造部品（８）が、燃料集合体における燃料棒総数より少数の燃料棒（２）に対して、それぞれ１つの燃料棒（２）が貫通して導かれる複数のセル（２７）を形成し、
   ｉ）１つの行（１４）又は列（１６）の中に存在するこれらのセル（２７）の数がそれらの行（１４）又は列（１６）に存在する燃料棒の数より少ない、
   ことを特徴とする加圧水形原子炉の燃料集合体。
2. 前記構造部品（８）で形成された前記複数のセル（２７）が前記燃料集合体の角部位のみに存在していることを特徴とする請求項１に記載の燃料集合体。
3. 前記複数の外側帯板（２０）が燃料集合体の横側縁部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料集合体。
4. 前記複数の外側帯板（２０）が１つの結合枠を形成していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
5. 各外側帯板（２０）にこれに対して平行に延びる１つの内側帯板（２６）が付設され、該内側帯板（２６）がその流れる冷却水（Ｋ）の側の長手面に前記内部範囲（２４）に向いた複数の方向転換羽根（３０）を有し、これらの複数の内側帯板（２６）が構造的に同一であり、互いに対抗して位置する両内側帯板（２６）が軸方向に延びる中心平面（２１）に関して鏡面対称に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料集合体。
6. 前記外側帯板（２０）と前記内側帯板（２６）との間に１つの行（１４）又は１つの列（１６）の燃料棒（２）しか配置されていないことを特徴とする請求項５に記載の燃料集合体。
7. 前記内側帯板（２６）の下側長手面が前記外側帯板（２０）の下側長手面の下側に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料集合体。
8. 前記複数の内側帯板（２６）が１つの結合枠を形成していることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料集合体。

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