JP2016075560A - Recombination device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、触媒を用いて水素と酸素を結合させるための再結合装置に係わり、特に原子力発電所等の原子力関連設備に設置される再結合装置に関する。 The present invention relates to a recombination apparatus for combining hydrogen and oxygen using a catalyst, and more particularly to a recombination apparatus installed in a nuclear-related facility such as a nuclear power plant.
原子力発電所において過酷事故(シビアアクシデント)が発生した場合、炉心冷却能力の低下により燃料被覆管が高温となり、被覆管材料として使用されているジルコニウムと冷却材(水)とが反応する水−ジルコニウム反応、核分裂生成物等からの放射線により水が分解する水の放射性分解などによって、大量の水素が発生する可能性がある。 When a severe accident occurs at a nuclear power plant, the temperature of the fuel cladding tube becomes high due to a decrease in the cooling capacity of the core, and zirconium that is used as the cladding tube material reacts with the coolant (water)-Zirconium A large amount of hydrogen may be generated by the radioactive decomposition of water, which is decomposed by radiation from reaction, fission products, and the like.
この状態を放置しておくと、水素濃度が爆発限界に到達して水素爆発を起こす可能性がある。水素爆発によって原子炉格納容器や原子炉建屋が破損すると、放射性物質が環境中に放出される可能性があるので、過酷事故時における水素爆発を未然に防止するための手段が必要となる。 If this state is left unattended, the hydrogen concentration may reach the explosion limit and cause a hydrogen explosion. If the reactor containment vessel or reactor building is damaged by the hydrogen explosion, radioactive materials may be released into the environment. Therefore, a means for preventing a hydrogen explosion at the time of a severe accident is necessary.
従来、水−ジルコニウム反応により発生した水素を酸素と再結合させて、格納容器や原子炉建屋内の水素濃度を低下させるための再結合装置が知られている。そのような再結合装置の一つとして、触媒を用いて常温での水素と酸素との再結合を可能とした触媒式再結合装置が開発されている(特許文献1、2)。
Conventionally, a recombination apparatus is known for recombining hydrogen generated by a water-zirconium reaction with oxygen to lower the hydrogen concentration in a containment vessel or a reactor building. As one of such recombination apparatuses, a catalytic recombination apparatus that can recombine hydrogen and oxygen at room temperature using a catalyst has been developed (
原子力施設に使用する触媒式再結合装置においては、運転の確実性を考慮して、電源や外部動力を使用せずに自立動作が可能なことが要求されるため、触媒反応時に生じる熱に起因する浮力を駆動力として利用している。 Catalytic recombination devices used in nuclear facilities are required to be able to operate independently without using a power source or external power in consideration of operational reliability. The buoyant force is used as the driving force.
触媒式再結合装置は、触媒を担持する触媒担体を含む触媒構造体を備えている。 The catalytic recombination apparatus includes a catalyst structure including a catalyst carrier that supports a catalyst.
特許文献1の触媒式再結合装置における触媒構造体は、(縦長の)ボックス状のカートリッジに粒状の触媒を充填し、触媒が充填された複数のカートリッジを縦置きに並べて構成されている(ぺブル充填型)。
The catalyst structure in the catalytic recombination apparatus of
ぺブル充填型触媒式再結合装置では、単位容積当たりの触媒表面積(反応面積)が大きくとれるため、単位容積当たりの反応が大きく、小型化できる可能性がある。しかし、触媒粒子間の空隙の不均一に起因して、反応物の流れの滞留時間分布、偏流、吹抜けなどが生じ、また触媒層の圧力損失が大きくなるという問題が生じる。特に、大きな圧力損失に対して自然対流を確保するためには、大きなチムニー(煙突)効果を得るために、大きなチムニーが必要となり、再結合装置が全体として大型化してしまう。 In the pebble-filled catalytic recombination apparatus, since the catalyst surface area (reaction area) per unit volume can be increased, the reaction per unit volume is large, and there is a possibility that the size can be reduced. However, due to the non-uniformity of the voids between the catalyst particles, there are problems that the residence time distribution of the reactant flow, the drift, the blow-through, etc. occur, and the pressure loss of the catalyst layer increases. In particular, in order to secure natural convection against a large pressure loss, a large chimney is required to obtain a large chimney effect, and the recombination apparatus becomes large as a whole.
また、特許文献2および3の触媒式再結合装置における触媒構造体は、複数の触媒を複数のプレート状に成形して縦に並べ、プレート間に被処理ガスを流すようにした構造(プレート型)となっている。
Further, the catalyst structure in the catalytic recombination apparatus of
プレート型触媒式再結合装置では、被処理ガスは、適度の間隔を有して平行に配列されたプレート間を流れるため、反応物の流れの滞留時間分布、偏流、吹抜けなどが生じ、また触媒層の圧力損失などの問題は生じない。しかし、プレート型触媒式再結合装置において、触媒が付着されているのは、プレートの表面のみであるため、単位容積当たりの触媒の表面積は、ぺブル充填型より小さくなるため、同一の反応表面積を確保しようとすれば、触媒構造体自体としては大型化することになる。 In the plate-type catalytic recombination apparatus, the gas to be treated flows between the plates arranged in parallel with an appropriate interval, so that the residence time distribution of the reactant flow, drift, blow-off, etc. occur, and the catalyst Problems such as pressure loss in the layer do not occur. However, in the plate-type catalytic recombination apparatus, since the catalyst is attached only to the surface of the plate, the surface area of the catalyst per unit volume is smaller than that of the pebble-filled type. If it is going to ensure, catalyst structure itself will enlarge.
また、原子力発電所の過酷事故時において発生した水素が、比較的狭い場所に溜る可能性がある場合には、該狭所に再結合装置を設置して効率的に水素濃度を低減することが望ましい。しかしながら、従来の再結合装置は、上述したように大型であるため、狭い場所への設置が困難若しくは不可能であった。 If there is a possibility that hydrogen generated during a severe accident at a nuclear power plant may accumulate in a relatively narrow place, a recombination device can be installed in the narrow place to efficiently reduce the hydrogen concentration. desirable. However, since the conventional recombination apparatus is large as described above, it has been difficult or impossible to install in a narrow place.
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであって、装置全体の小型化を図ることができる触媒式の再結合装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide a catalytic recombination apparatus that can reduce the overall size of the apparatus.
上記課題を解決するために、第1の態様による本発明は、触媒を用いて水素と酸素を結合するための再結合装置であって、表面に前記触媒を担持した貫通孔を多数有し、前記水素と前記酸素を含む処理対象ガスを導入して前記水素と前記酸素を再結合する触媒部と、前記触媒部により処理された後の前記処理対象ガスがその内部を流通する筒状部と、を備える、ことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention according to the first aspect is a recombination device for combining hydrogen and oxygen using a catalyst, and has a large number of through-holes carrying the catalyst on the surface, A catalyst part that introduces a gas to be treated containing hydrogen and oxygen and recombines the hydrogen and oxygen; and a cylindrical part through which the gas to be treated after being treated by the catalyst part flows. , Comprising.
第2の態様による本発明は、第1の態様による本発明において、前記触媒部が、お互いに隣り合う貫通孔が薄壁で仕切られて形成されている、ことを特徴とする。 The present invention according to a second aspect is characterized in that, in the present invention according to the first aspect, the catalyst part is formed by partitioning through holes adjacent to each other with a thin wall.
第3の態様による本発明は、第1または第2の態様による本発明において、前記貫通孔の断面が、多角形である、ことを特徴とする。 The present invention according to a third aspect is characterized in that, in the present invention according to the first or second aspect, a cross section of the through hole is a polygon.
第4の態様による本発明は、第1乃至第3のいずれかの態様による本発明において、前記触媒部における前記水素と前記酸素の再結合反応により発生した熱に起因するガスの浮力によって、前記貫通孔における流動抵抗に抗して前記貫通孔において前記処理対象ガスの流れが発生するように、前記筒状部の有効長さおよび前記触媒部の高さが設定されている、ことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the present invention according to any one of the first to third aspects, the buoyancy of the gas caused by the heat generated by the recombination reaction of the hydrogen and the oxygen in the catalyst unit The effective length of the cylindrical portion and the height of the catalyst portion are set so that the flow of the gas to be treated is generated in the through hole against the flow resistance in the through hole. To do.
第5の態様による本発明は、第4の態様による本発明において、前記触媒部の高さは約5mm以下である、ことを特徴とする。 The present invention according to the fifth aspect is characterized in that, in the present invention according to the fourth aspect, the height of the catalyst portion is about 5 mm or less.
第6の態様による本発明は、第4または第5の態様による本発明において、前記貫通孔の流路相当直径が1mm乃至1.79mmである、ことを特徴とする。 The present invention according to a sixth aspect is characterized in that, in the present invention according to the fourth or fifth aspect, the flow path equivalent diameter of the through hole is 1 mm to 1.79 mm.
第7の態様による本発明は、第1乃至第6のいずれかの態様による本発明において、前記筒状部の出口側に、前記筒状部内への水や異物の侵入を防止するための侵入防止手段をさらに有する、ことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the present invention according to any one of the first to sixth aspects, an intrusion for preventing intrusion of water or foreign matter into the cylindrical portion on the outlet side of the cylindrical portion. It further has a prevention means.
第8の態様による本発明は、第7の態様による本発明において、前記侵入防止手段は、前記筒状部の上端開口を封止する傘状部材を有し、前記筒状部の上端部の側面にガス流出口が形成されている、ことを特徴とする。 The present invention according to an eighth aspect is the present invention according to the seventh aspect, wherein the intrusion prevention means includes an umbrella-shaped member that seals the upper end opening of the cylindrical portion, and the upper end portion of the cylindrical portion is A gas outlet is formed on the side surface.
第9の態様による本発明は、第1乃至第8のいずれかの態様による本発明において、前記触媒構造体は、前記筒状部の入口部に着脱自在に装着されている、ことを特徴とする。 The present invention according to a ninth aspect is characterized in that, in the present invention according to any one of the first to eighth aspects, the catalyst structure is detachably attached to an inlet portion of the cylindrical portion. To do.
本発明による再結合装置によれば、触媒部分の構造を小型化することにより、装置全体の小型化を図ることができる。 According to the recombination apparatus according to the present invention, the entire apparatus can be downsized by downsizing the structure of the catalyst portion.
以下、本発明の一実施形態による触媒式の再結合装置について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a catalytic recombination apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態による再結合装置は、触媒を用いて水素と酸素を結合するための装置であり、原子力発電所等の原子力関連設備に設置される。 The recombination apparatus according to this embodiment is an apparatus for combining hydrogen and oxygen using a catalyst, and is installed in a nuclear-related facility such as a nuclear power plant.
図1乃至図4に示したように、本実施形態による再結合装置1は、水素および酸素を含む処理対象ガスがその内部を流通する筒状部2を有する。筒状部2は、円筒状の部材で構成されている。但し、筒状部2を構成する部材は円筒状部材に限られず、例えば方形断面の筒状部材を用いることもできる。
As shown in FIGS. 1 to 4, the
筒状部2の下端には、表面に触媒を担持した貫通孔(流路)を多数有する触媒部3を含む触媒構造体4が設けられている。触媒構造体4は、円盤状又は円筒状の外形をしており、図5乃至図7に示した構造体支持部材5の上面の円周状突起の内周側に嵌合され、構造体支持部材5と共に筒状部2の下端開口に装着される。
At the lower end of the
触媒構造体4は、図8乃至図10に示した触媒ホルダー6と、図11に示した触媒部3とを有する。触媒ホルダー6は、触媒部3の周縁部を保持する略円環状の枠状保持部材から成り、円盤状又は円筒状の触媒部3は、触媒ホルダー6の凹部に嵌合される。触媒ホルダー6は、例えばステンレス材料で形成することができる。
The
触媒部3に設けられた多数の貫通孔(流路)は、その断面が三角形、四角形、五角形又は六角形などの多角形であって、お互いに隣接する流路が薄壁で仕切られて形成されている(ハニカム構造)。触媒部は、多孔質なセラミックやステンレス鋼などを支持体としている。すなわち、触媒部3には、図12に示したように多数の貫通孔7が形成されている。貫通孔7は、筒状部2への処理対象ガスの導入方向(本例においては、筒状部2の軸線方向)に沿って延在しており、その内部を処理対象ガス(水素と酸素を含む)が流通する。
A large number of through-holes (flow paths) provided in the
触媒部3には、少なくとも各貫通孔7の内周面に触媒が付与されている。ハニカム構造を採用することによって、触媒部3の比表面積(単位体積当たりの表面積)を増大させることができるので、処理対象ガスと触媒との接触効率を大幅に高めることができる。
A catalyst is applied to the
図13に示したように、筒状部2の下端部には鍔状部2Aが形成されている。筒状部2の鍔状部2Aと外部支持片8との間に構造体支持部材5の周縁部5Aが配置され、ボルト9によってこれらの部材が積層状態で固定されている。
As shown in FIG. 13, a bowl-shaped
図1に示したように、筒状部2の出口側(上端側)には、筒状部2内への水や異物の侵入を防止するための侵入防止手段10が設けられている。侵入防止手段10は、筒状部2の上端開口を封止する傘状部材11を含む。原子力発電所における事故時対応として、原子炉格納容器の内部にスプレー水が噴霧される場合があるが、傘状部材11によって、スプレー水の筒状部2内への侵入を防止することができる。これにより、触媒に水が付着することにより基礎反応が阻害されることを防止できる。
As shown in FIG. 1, on the outlet side (upper end side) of the
筒状部2の上端側の側面には、ガス流出口12が形成されており、筒状部2内を流通するガスは、ガス流出口12を介して側方に放出される。ガス流出口12には、網状部材13が設けられており、網状部材13は、筒状部2内への異物(飛来物)の侵入を防止する侵入防止手段10として機能する。
A
本実施形態による再結合装置1は、その稼働に際して電源を必要とせず、筒状部2内での自然対流を駆動力として利用するものである。すなわち、触媒構造体4における水素と酸素の再結合反応により発生した熱に起因するガスの浮力によって、触媒部3の複数の貫通孔7における流動抵抗に抗して筒状部2内で自然対流が発生するように、筒状部2の有効長さ(自然対流の発生に寄与する部分の長さ)および触媒部3の高さが設定されている。
The
すなわち、再結合装置1の処理対象ガスは、筒状部2の下端入口から流入し、触媒構造体4を通過する際に、水素と酸素の再結合反応によって水蒸気が生じる。なお、触媒の存在下においては、再結合反応は常温でも生じる。再結合反応により発生した熱によりガスが加熱されて密度差による浮力が生じ、これを駆動力として自然対流が生じる(チムニー効果)。生成された水蒸気を含む処理後のガスは、筒状部2の上部側面のガス流出口12から外部へ放出される。
That is, when the gas to be processed of the
図14は、触媒高さ(触媒部3の高さ)と水素処理量との関係を、水素濃度4vol%、反応率100%、自然対流の場合について示している。水素処理量は、再結合装置1への処理対象ガスの単位流入面積当たりの処理量(kg/h)を示している。
FIG. 14 shows the relationship between the catalyst height (the height of the catalyst unit 3) and the hydrogen treatment amount in the case of a hydrogen concentration of 4 vol%, a reaction rate of 100%, and natural convection. The hydrogen processing amount indicates the processing amount (kg / h) per unit inflow area of the gas to be processed into the
図14から分かるように、触媒高さ(触媒部3の高さ)が大きくなるにつれて、水素処理量は小さくなっている。水素と酸素との反応は非常に早いので、処理対象ガスが触媒部3に導入された直後に反応が実質的に完了する。このため、触媒高さを大きくしても、反応促進への寄与はほとんど無い。むしろ、触媒部3における流動抵抗が大きくなるので、処理対象ガスの流量が低下し、その結果、水素処理量が低下してしまう。
したがって、触媒部の高さを5mmより大きくしても、水素処理能力は低下する一方再結合装置が大型化するのに対して、触媒部の高さを5mmより小さくすると、水素処理能力が向上し、かつ再結合装置が小型できることがわかる。
As can be seen from FIG. 14, the amount of hydrogen treatment decreases as the catalyst height (the height of the catalyst unit 3) increases. Since the reaction between hydrogen and oxygen is very fast, the reaction is substantially completed immediately after the gas to be treated is introduced into the
Therefore, even if the height of the catalyst part is larger than 5 mm, the hydrogen treatment capacity is reduced, while the recombination apparatus is enlarged. On the other hand, if the height of the catalyst part is smaller than 5 mm, the hydrogen treatment capacity is improved. And it turns out that a recombination apparatus can be reduced in size.
次に、本実施形態における結合装置として実用上望ましい範囲(主要部寸法)について検討する。 Next, a practically desirable range (major part dimensions) for the coupling device in the present embodiment will be considered.
図15は、本実施形態による再結合装置の流路構成モデルを示している。 FIG. 15 shows a flow path configuration model of the recombination device according to the present embodiment.
水素と酸素の触媒反応による発熱に伴う浮力は、流れが層流域にある場合は以下の式(1)で表される。 The buoyancy accompanying heat generated by the catalytic reaction of hydrogen and oxygen is expressed by the following formula (1) when the flow is in a laminar flow region.
PA=Δρ×g×h2 ・・・・(1)
ここで、
PA:触媒反応による発熱に伴う浮力[N/m2]
Δρ:密度差ρIN−ρOUT[kg/m3]
ρIN:入口側気体密度[kg/m3]
ρOUT:出口側気体密度[kg/m3]
g:重力加速度[m/s2]
h2:チムニー高さ[m]
なお、チムニー高さとは、筒状部2の内部でチムニー効果が生じる部分に対応する有効高さである。
P A = Δρ × g × h 2 (1)
here,
P A : Buoyancy due to heat generation by catalytic reaction [N / m 2 ]
Δρ: density difference ρ IN −ρ OUT [kg / m 3 ]
ρ IN : Inlet side gas density [kg / m 3 ]
ρ OUT : outlet side gas density [kg / m 3 ]
g: Gravity acceleration [m / s 2 ]
h 2 : Chimney height [m]
The chimney height is an effective height corresponding to a portion where the chimney effect occurs in the
触媒部3における流動抵抗は、以下の式(2)で表される。
The flow resistance in the
PB=32×μ×h1×VIN/d1 2 ・・・・(2)
ここで、
PB:流動抵抗[N/m2]
μ:粘性係数[Pa・s]
h1:触媒高さ[m]
VIN:入口流速[m/s]
d1:触媒流路相当直径[m]
触媒による発熱に伴う浮力PAと触媒部3における流動抵抗PBとが釣り合う(PA=PB)と仮定すると、式(1)と式(2)より、以下となる。
P B = 32 × μ × h 1 × V IN / d 1 2 (2)
here,
P B : Flow resistance [N / m 2 ]
μ: Viscosity coefficient [Pa · s]
h 1 : catalyst height [m]
V IN : Inlet flow velocity [m / s]
d 1 : catalyst channel equivalent diameter [m]
Assuming the flow resistance P B in buoyancy P A and the
h2/h1=32×μ×VIN/d1 2/(Δρ×g) ・・・・(3)
また、H=h1+h2とすると、以下となる。
h 2 / h 1 = 32 × μ × V IN / d 1 2 / (Δρ × g) (3)
When H = h 1 + h 2 , the following is obtained.
H/h1=32×μ×VIN/d1 2/(Δρ×g)+1・・・(4)
図16は、式(4)を基に作成した本実施形態による再結合装置として実用上望ましい範囲(グラフ中の黒塗部分)を示している。
H / h 1 = 32 × μ × V IN / d 1 2 / (Δρ × g) +1 (4)
FIG. 16 shows a practically desirable range (blacked portion in the graph) for the recombination device according to the present embodiment created based on the formula (4).
Hの上限を再結合装置の小型化のため300mm、h1の下限を製作上の制限から3mmとしたため、図16において、H/h1は、上限については100、下限については、H=h1(h2=0mm)の場合であることから1としている。また、VINの下限は、既往の再結合装置の水素処理量を考慮して0.3m/sとしている。d1の上限は、製作可能な触媒部を基に1.79mmとしている。 Since the upper limit of H is set to 300 mm for the downsizing of the recombination apparatus and the lower limit of h 1 is set to 3 mm from the manufacturing limit, in FIG. 16, H / h 1 is 100 for the upper limit and H = h for the lower limit. 1 because it is the case of 1 (h 2 = 0 mm). The lower limit of VIN is set to 0.3 m / s in consideration of the hydrogen treatment amount of the existing recombination apparatus. The upper limit of d 1 is 1.79 mm based on the catalyst part that can be manufactured.
以上述べたように、本実施形態による触媒式の再結合装置1によれば、触媒部3は、筒状部2への処理対象ガスの導入方向に沿って多数の断面が微小な貫通孔7が形成され、かつ高さが小さいので、大きな触媒面積確保による小型でかつ高い処理能力を確保できるとともに、触媒層における圧力損失の低減が実現できる。触媒層の圧力損失の提言は、比較的小さな筒状部であっても、チムニー効果による自然対流を確保できるため、従来の再結合装置に比べて、触媒の単位体積当たりの水素処理量を大幅に増大させることができる。
As described above, according to the
以上の検討結果を踏まえた本実施形態による再結合装置1おいては、既往の再結合装置の水素処理量を考慮して、触媒高さ(触媒部3の厚さ)を5mmに設定すると、触媒部3の直径は93mmであり、装置全体の概略寸法は、直径105mm、高さ420mmで、重量は約2kgである。これは、既往の再結合装置の寸法・重量に比べて、大幅に小型化されている。
In the
但し、本発明による再結合装置における触媒部の厚さや装置全体の寸法は、これらの数値に限定されるものではなく、例えば、前記で説明したような実用上望ましい範囲で適宜選択して設定することができる。 その結果、触媒部3を含む触媒構造体4のみでなく、筒状部を含む再結合装置全体の寸法を、従来の触媒式再結合装置の場合に比して大幅に小さくすることができる。これにより、装置全体の小型化および軽量化を図ることができる。
However, the thickness of the catalyst part and the overall dimensions of the recombination apparatus according to the present invention are not limited to these numerical values, and are appropriately selected and set within a practically desirable range as described above, for example. be able to. As a result, not only the
再結合装置1の小型・軽量化により、装置の据付け・取外し作業が容易となり、また、作業時間の短縮による作業員の被ばく量の低減も可能となる。
Due to the small size and light weight of the
また、再結合装置1の小型・軽量化は、水素が溜る可能性のある狭い場所への再結合装置1の設置を可能とし、或いは、必要な水素処理量に応じて多くの基数を容易に設置することが可能となる。
Further, the downsizing and weight reduction of the
また、本実施形態による再結合装置1によれば、触媒構造体4が筒状部2の下端部にボルト9で着脱自在に装着されているので、ボルト9を外して筒状部2から触媒構造体4を取り外すことにより、触媒の交換を容易に行なうことができる。
Further, according to the
1 再結合装置
2 筒状部
2A 筒状部下端の鍔状部
3 触媒部(有孔板状部材)
4 触媒構造体
5 構造体支持部材
5A 構造体支持部材の周縁部
6 触媒ホルダー
7 触媒部の貫通孔
8 外部支持片
9 ボルト
10 侵入防止手段
11 傘状部材
12 ガス流出口
13 網状部材
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (9)
表面に前記触媒を担持した貫通孔を多数有し、前記水素と前記酸素を含む処理対象ガスを導入して前記水素と前記酸素を再結合する触媒部と、
前記触媒部により処理された後の前記処理対象ガスがその内部を流通する筒状部と、
を備える、再結合装置。 A recombination device for combining hydrogen and oxygen using a catalyst,
A catalyst part having a large number of through-holes carrying the catalyst on the surface, introducing a gas to be treated containing the hydrogen and oxygen, and recombining the hydrogen and oxygen;
A cylindrical part through which the gas to be treated after being treated by the catalyst part circulates;
A recombination device.
前記筒状部の上端部の側面にガス流出口が形成されている、請求項7記載の再結合装置。 The intrusion prevention means has an umbrella-like member that seals the upper end opening of the cylindrical portion,
The recombination apparatus according to claim 7, wherein a gas outlet is formed on a side surface of an upper end portion of the cylindrical portion.
The recombination device according to any one of claims 1 to 8, wherein the catalyst structure is detachably attached to an inlet portion of the cylindrical portion.
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