JP5784476B2 - Uranium recovery method - Google Patents

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Description

本発明は、水溶液中に含まれるウランを沈殿させて回収する方法に関する。   The present invention relates to a method for precipitating and recovering uranium contained in an aqueous solution.

原子力発電所で発生する使用済核燃料には、ウランU、プルトニウムPu、マイナーアクチニドMAの他に、核分裂生成物FPとしてアルカリ金属、アルカリ土類金属、希土類金属等が含まれており、再処理工程を経て燃料として再利用される。
再処理方法として、従来のピューレックス法のような湿式法と、使用済核燃料をそのまま高温で処理する溶融塩電解法を用いた乾式法と、の二つの方法が存在する。
Spent nuclear fuel generated at nuclear power plants contains alkali metal, alkaline earth metal, rare earth metal, etc. as fission product FP in addition to uranium U, plutonium Pu, minor actinide MA, and reprocessing process After that, it is reused as fuel.
There are two reprocessing methods: a wet method such as the conventional Purex method, and a dry method using a molten salt electrolysis method in which spent nuclear fuel is processed as it is at a high temperature.

そして、湿式法により使用済み燃料溶解液から大部分のウランを分離し高純度の酸化ウランを回収すると共に、乾式法によりPuとMA(Np,Am,Cm等)とを一括で回収するハイブリッド再処理方法が開発されている(例えば、特許文献1−4)。
このハイブリッド再処理方法によれば、核不拡散性の高い、すなわち、Puが単独で回収されない再処理プロセスを実現することができる。
Then, a hybrid process that separates most of the uranium from the spent fuel solution by a wet method and collects high-purity uranium oxide, and collects Pu and MA (Np, Am, Cm, etc.) in a batch by a dry method. A processing method has been developed (for example, Patent Documents 1-4).
According to this hybrid reprocessing method, it is possible to realize a reprocessing process with high nuclear non-proliferation, that is, Pu is not recovered alone.

特許第2809819号公報Japanese Patent No. 2880919 特許第3319657号公報Japanese Patent No. 3319657 特許第3120002号公報Japanese Patent No. 3100022 特開2002−236195号公報JP 2002-236195 A

ところで、ハイブリッド再処理方法では、ウラン溶液にシュウ酸を投入してウランを沈殿・回収する工程が採用されており、このウランの回収率を向上させるためにウランを6価から4価に調整する価数調整工程が設けられている。
しかし、この4価のウランは、硝酸溶液中において時間経過とともに酸化して6価のウランに逆戻りするために、回収率が期待通りに向上しない課題があった。
By the way, in the hybrid reprocessing method, a step of adding oxalic acid to the uranium solution and precipitating and recovering uranium is adopted, and uranium is adjusted from hexavalent to tetravalent in order to improve the recovery rate of this uranium. A valence adjustment step is provided.
However, since this tetravalent uranium is oxidized with time in the nitric acid solution and returns to hexavalent uranium, there is a problem that the recovery rate does not improve as expected.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、回収率の向上が達成されるウランの回収方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a uranium recovery method in which an improvement in recovery rate is achieved.

ウランの回収方法において、使用済み燃料を硝酸に溶解して水溶液にする溶解工程と、前記溶解工程を経た後の前記水溶液を電解還元してウランの価数を減少させる第1電解還元価数調整工程と、前記第1電解還元価数調整工程を経た後の前記水溶液に有機抽出溶媒を混合して有機層及び水層に分液する分液工程と、前記分液工程を経た後の前記水層のウラン溶液に酸化抑制剤を投入してウランの価数の増加を抑制する酸化抑制剤投入工程と、前記酸化抑制剤投入工程を経た後の前記水槽のウラン溶液を電解還元して価数の増加したウランの価数を減少させる第2電解還元価数調整工程と、前記第2電解還元価数調整工程を経た後の前記水槽のウラン溶液にシュウ酸を投入し前記ウランを沈殿させるシュウ酸沈殿工程と、を含むことを特徴とする。 In the method for recovering uranium , a dissolving step in which spent fuel is dissolved in nitric acid to form an aqueous solution, and a first electrolytic reduction valence adjustment for reducing the uranium valence by electrolytic reduction of the aqueous solution after passing through the dissolving step A separation step of mixing an organic extraction solvent with the aqueous solution after the first electrolytic reduction valence adjustment step and separating the mixture into an organic layer and an aqueous layer, and the water after the separation step An oxidation inhibitor is introduced into the uranium solution of the layer to suppress an increase in the valence of uranium, and a valence is obtained by electrolytic reduction of the uranium solution in the water tank after the oxidation inhibitor is introduced. A second electrolytic reduction valence adjusting step for reducing the uranium valence increased, and an oxalic acid to be precipitated by adding oxalic acid to the uranium solution in the water tank after the second electrolytic reduction valence adjusting step An acid precipitation step, and That.

本発明により、回収率の向上が達成されるウランの回収方法が提供される。   The present invention provides a method for recovering uranium in which an improvement in recovery rate is achieved.

本発明に係るウランの回収方法の第1実施形態を示す工程図。FIG. 3 is a process diagram showing a first embodiment of a uranium recovery method according to the present invention. 本発明に係るウランの回収方法の第2実施形態を示す工程図。Process drawing which shows 2nd Embodiment of the collection | recovery method of uranium based on this invention.

(第1実施形態)
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
第1実施形態に係るウランの回収方法は、使用済み燃料を硝酸に溶解して水溶液にする溶解工程(S12)と、この水溶液を電解還元してウランの価数を減少させる電解還元価数調整工程(S14)と、この電解還元した水溶液に有機抽出溶媒を混合して有機層及び水層に分液する分液工程(S15)と、分液した水層に酸化抑制剤を投入してウランの価数の増加を抑制する酸化抑制剤投入工程(S21)と、酸化抑制剤を投入した水層にシュウ酸を投入しウランを沈殿させるシュウ酸沈殿工程(S23)と、を含んでいる。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The uranium recovery method according to the first embodiment includes a dissolution step (S12) in which spent fuel is dissolved in nitric acid to form an aqueous solution, and electrolytic reduction valence adjustment for reducing the uranium valence by electrolytic reduction of the aqueous solution. A step (S14), a liquid separation step (S15) in which an organic extraction solvent is mixed with the electrolytically reduced aqueous solution and separated into an organic layer and an aqueous layer, and an oxidation inhibitor is added to the separated aqueous layer to add uranium. The oxidation inhibitor addition process (S21) which suppresses the increase in the valence of, and the oxalic acid precipitation process (S23) which precipitates uranium by introducing oxalic acid into the water layer into which the oxidation inhibitor is introduced.

また、水層に酸化抑制剤を投入した酸化抑制剤投入工程(S21)の後に、価数が増加したウランの価数を減少させる電解還元価数調整工程(S22)を含んでいる。   Moreover, the electrolytic reduction valence adjustment process (S22) which decreases the valence of the uranium in which the valence increased is included after the oxidation inhibitor injection process (S21) which injected the oxidation inhibitor into the water layer.

解体・せん断工程(S11)は、原子炉から取り出され、貯蔵プールにおいて規定の放射能レベルになるまで貯蔵し冷却された使用済核燃料を、数センチ程の小片になるよう解体・せん断する工程である。
使用済み燃料中にはウランU、プルトニウムPu、マイナーアクチニドMA(Np、Am、Cm等)の他に、核分裂生成物(FP)としてアルカリ金属(AM)元素、アルカリ土類金属(AEM)元素、白金族元素が含まれている。なお、切断の際に燃料棒から放出されるFPガスは廃ガス処理される。
The dismantling / shearing step (S11) is a step of disassembling and shearing spent nuclear fuel that has been taken out of the reactor, stored and cooled in the storage pool until it reaches the specified radioactivity level, into small pieces of several centimeters is there.
In addition to uranium U, plutonium Pu, and minor actinides MA (Np, Am, Cm, etc.), spent fuel includes alkali metal (AM) elements, alkaline earth metal (AEM) elements as fission products (FP), Contains platinum group elements. Note that the FP gas released from the fuel rod at the time of cutting is subjected to waste gas treatment.

溶解工程(S12)は、切断片となった使用済み核燃料をステンレス製の溶解槽に入れ硝酸水溶液で溶解し、U、Pu、FP、MAを硝酸水溶液中に溶出させる工程である。この溶出したUは6価(U+6)の状態でPuは4価(Pu+4)の状態で液相に存在している。
廃棄物処理・処分工程(S13)は、硝酸水溶液に対し不溶解性であるジルカロイ合金製又はステンレス製の燃料被覆管、その他の燃料集合体構造物の切断片を固体放射性廃棄物として処理・処分する工程である。
The dissolution step (S12) is a step in which the spent nuclear fuel that has become a cut piece is placed in a stainless dissolution tank and dissolved in an aqueous nitric acid solution to elute U, Pu, FP, and MA into the aqueous nitric acid solution. This eluted U exists in the liquid phase in a hexavalent (U +6 ) state and Pu in a tetravalent (Pu +4 ) state.
The waste treatment / disposal process (S13) treats and disposes the fuel cladding tube made of Zircaloy alloy or stainless steel, which is insoluble in nitric acid aqueous solution, and other fuel assembly structure as solid radioactive waste. It is a process to do.

電解還元価数調整工程(S14)は、U、Pu、FP、MAの溶出した硝酸水溶液中に、電極を投入して直流電圧を印加し、これら金属イオンを電解還元する工程である。
この電解還元により、各金属イオンは電子の授受を行って、U+6の一部がU+4に、Pu+4の大部分がPu+3に価数調整される。
なお、このU+4の生成率を調整することにより、次の分液工程(S15)における水層中のU組成を調節することができる。
The electrolytic reduction valence adjustment step (S14) is a step in which an electrode is put into a nitric acid aqueous solution from which U, Pu, FP, and MA are eluted and a DC voltage is applied to electrolytically reduce these metal ions.
By this electrolytic reduction, each metal ion exchanges electrons, and the valence is adjusted such that a part of U +6 is U +4 and most of Pu +4 is Pu +3 .
In addition, by adjusting the production rate of U +4 , it is possible to adjust the U composition in the aqueous layer in the next liquid separation step (S15).

分液工程(S15)は、有機抽出溶媒としてTBP(リン酸トリブチル)/n−ドデカンを混合して分液する工程である。金属イオンは、それぞれの分配係数に基づいて、有機抽出溶媒及び水に分配される。そして、ほとんど全てのU+6及び所定割合のU+4はTBP/n−ドデカン溶液に抽出され、U+4の残部、Pu+3、MA、FPが水層に残留する。
この水層は、0.1〜3M(mol/L)のウランを含有する1〜5Mの硝酸水溶液になっている。
The liquid separation step (S15) is a step of mixing and separating TBP (tributyl phosphate) / n-dodecane as an organic extraction solvent. Metal ions are distributed into the organic extraction solvent and water based on their respective partition coefficients. Almost all U +6 and a predetermined proportion of U +4 are extracted into the TBP / n-dodecane solution, and the remainder of U +4 , Pu +3 , MA, and FP remain in the aqueous layer.
This aqueous layer is a 1-5 M nitric acid aqueous solution containing 0.1-3 M (mol / L) uranium.

U精製工程(S16)は、分液工程(S15)において有機層に抽出されたU+6及びU+4を硝酸で洗浄することによりこの硝酸に逆抽出する。この逆抽出されたU+6及びU+4は、脱硝工程(S17)で酸化物に転換され、高純度のUO2として回収され、軽水炉用の燃料として使用される(S18)。 In the U purification step (S16), U +6 and U +4 extracted in the organic layer in the liquid separation step (S15) are back-extracted into nitric acid by washing with nitric acid. The back-extracted U +6 and U +4 are converted into oxides in the denitration step (S17), recovered as high-purity UO 2 and used as fuel for light water reactors (S18).

酸化抑制剤投入工程(S21)では、硝酸水溶液においてU+4よりもU+6の方が安定であるために、U+4が酸化してU+6に戻る反応を防止する酸化抑制剤を、水層に投入する工程である。この酸化抑制剤として、ヒドラジンを好適に用いることができるが、U+4の酸化抑制作用を有するものであれば適宜用いることができる。 In the oxidation inhibitor charging step (S21), since U +6 is more stable than U +4 in the aqueous nitric acid solution, an oxidation inhibitor that prevents the reaction of U +4 oxidizing and returning to U +6 is added. This is a step of charging the water layer. As this oxidation inhibitor, hydrazine can be suitably used, but any hydrazine having an action of inhibiting U +4 oxidation can be used as appropriate.

このヒドラジンの水層への投入量は、この水層に含まれるウランに対するモル比が1以上となるようにする。水層におけるウランに対するヒドラジンのモル比が1未満であると、U+4の酸化抑制作用が不充分となりU+6に戻る割合が高くなる。
電解還元価数調整工程(S22)は、酸化抑制剤投入工程(S21)を経たにもかかわらず水層で酸化してU+6に変化してしまったものを、電解還元してU+4に戻す工程である。
The amount of hydrazine introduced into the aqueous layer is such that the molar ratio to uranium contained in this aqueous layer is 1 or more. If the molar ratio of hydrazine to uranium in the aqueous layer is less than 1, the oxidation inhibiting action of U +4 is insufficient and the ratio of returning to U +6 increases.
In the electrolytic reduction valence adjustment step (S22), what has been oxidized in the aqueous layer and changed to U +6 in spite of passing through the oxidation inhibitor addition step (S21) is electrolytically reduced to U +4 It is the process of returning to.

シュウ酸沈殿工程(S23)は、水層にシュウ酸を添加し、水層に含まれる金属イオンをシュウ酸塩として沈殿させる。このシュウ酸の添加量は、この水層に含まれるウランに対するモル比が2以上となるようにする。この水層におけるウランに対するシュウ酸のモル比が2未満であると、金属イオンがシュウ酸塩に変化する割合が低下して、沈殿物の回収率が低下する。そして、常温もしくは加熱しながらシュウ酸を添加した水層を攪拌し、常温もしくは冷却静置することで、沈殿物の回収率を向上させる。   In the oxalic acid precipitation step (S23), oxalic acid is added to the aqueous layer, and metal ions contained in the aqueous layer are precipitated as oxalate. The amount of oxalic acid added is such that the molar ratio to uranium contained in the aqueous layer is 2 or more. If the molar ratio of oxalic acid to uranium in this aqueous layer is less than 2, the rate at which metal ions are converted to oxalate is reduced, and the rate of precipitate recovery is reduced. And the collection rate of a precipitate is improved by stirring the water layer which added the oxalic acid to normal temperature or heating, and standing still at normal temperature or cooling.

このシュウ酸沈殿工程(S23)で、U+4及びPu+3は、高率でシュウ酸塩を生成し沈殿する。その他、Np、Am、Cm等のマイナーアクチニド(MA)、希土類元素(RE)およびアルカリ土類金属元素等の核分裂生成物(FP)の一部がシュウ酸塩の沈殿物に含まれる。
なお、核分裂生成物(FP)のうち、アルカリ金属元素や白金族元素は、沈殿せずに、ろ液中に溶解している。
In this oxalic acid precipitation step (S23), U +4 and Pu +3 generate and precipitate oxalate at a high rate. In addition, some of fission products (FP) such as minor actinides (MA) such as Np, Am, and Cm, rare earth elements (RE), and alkaline earth metal elements are contained in the oxalate precipitate.
In the fission product (FP), alkali metal elements and platinum group elements are dissolved in the filtrate without being precipitated.

酸化物転換工程(S24)は、シュウ酸沈殿工程(S23)で回収されたシュウ酸塩の沈殿物に、オゾンもしくは酸化性のガスを吹き込み、水分を加熱しながら除去し、U、Pu、MAおよび希土類元素の酸化物を生成する工程である。   In the oxide conversion step (S24), ozone or oxidizing gas is blown into the oxalate precipitate recovered in the oxalic acid precipitation step (S23), and moisture is removed while heating. U, Pu, MA And a step of producing an oxide of a rare earth element.

溶融塩電解工程(S25)は、S24で転換された酸化物から水分を完全に除去し、陰極バスケットに保持させて、白金やグラッシーカーボン製の陽極を用いて溶融塩電解する工程である。すると、陰極バスケット中のU、Pu、MAの酸化物中の酸素イオンが引き抜かれて金属に還元されるので、U、Pu、MAの金属が回収され、高速炉用の燃料に用いられる(S26)。   The molten salt electrolysis step (S25) is a step in which moisture is completely removed from the oxide converted in S24, held in a cathode basket, and subjected to molten salt electrolysis using an anode made of platinum or glassy carbon. Then, oxygen ions in the oxides of U, Pu, and MA in the cathode basket are extracted and reduced to metals, so that the metals of U, Pu, and MA are recovered and used as fuel for the fast reactor (S26). ).

白金族FP回収工程(S31)は、シュウ酸沈殿工程(S23)でシュウ酸塩を沈殿させた後、ろ液から白金族の核分裂生成物(FP)を回収する工程である。この、ろ液に陽極および陰極を挿入して電圧を印加すると、白金族系のFP(Pd、Ru、Rh、Mo、Tc)が陰極に析出回収される。
このとき、ろ液に残留する、Csなどのアルカリ金属元素およびSrなどのアルカリ土類元素は、高レベル放射性廃棄物としてガラス固化される(S32)。
The platinum group FP recovery step (S31) is a step of recovering platinum group fission products (FP) from the filtrate after oxalate is precipitated in the oxalic acid precipitation step (S23). When a voltage is applied by inserting an anode and a cathode into the filtrate, platinum group FP (Pd, Ru, Rh, Mo, Tc) is deposited and collected on the cathode.
At this time, alkali metal elements such as Cs and alkaline earth elements such as Sr remaining in the filtrate are vitrified as high-level radioactive waste (S32).

比較例として、図1に示される工程のうち、酸化抑制剤投入工程(S21)及び電解還元価数調整工程(S22)を省略した場合、シュウ酸沈殿工程(S23)においてウラン元素のうち沈殿物に移行するものは80%程度で、残りは、ろ液に移行してしまう。
このために比較例では、ろ液からウランを回収する工程と回収したウランを溶解する溶解工程とが必要となり、工程が複雑になると共に放射性廃棄物が増える問題が発生してしまう。
As a comparative example, when the oxidation inhibitor charging step (S21) and the electrolytic reduction valence adjustment step (S22) are omitted from the steps shown in FIG. 1, the uranium element precipitates in the oxalic acid precipitation step (S23). The amount that shifts to is about 80%, and the rest shifts to the filtrate.
For this reason, in a comparative example, the process of collect | recovering uranium from a filtrate and the melt | dissolution process of melt | dissolving the collect | recovered uranium are needed, The process will become complicated and the problem which radioactive waste will increase will generate | occur | produce.

(第2実施形態)
前記説明においては、分液工程(S15)においてTBPで溶媒抽出した後の、ろ液に着目して、このウラン溶液中のU+4が酸化してU+6に戻ることを防止する実施形態を示した。
しかし、発明の実施形態が適用されるウラン溶液は、そのようなTBPで分液された、ろ液に限定されるものではない。
(Second Embodiment)
In the above description, focusing on the filtrate after solvent extraction with TBP in the liquid separation step (S15), the embodiment prevents U +4 in this uranium solution from oxidizing and returning to U +6. showed that.
However, the uranium solution to which the embodiments of the invention are applied is not limited to the filtrate separated by such TBP.

つまり、図2に示すように、調整されたウラン溶液(S20)に、酸化抑制剤(例えば、ヒドラジン)を投入してウランの価数の増加を抑制する酸化抑制剤投入工程(S21)と、酸化抑制剤を投入したウラン溶液にシュウ酸を投入し前記ウランを沈殿させるシュウ酸沈殿工程(S23)と、ウラン回収工程(S24)と、を含む技術に適用することができる。なお、適宜、酸化抑制剤投入工程(S21)の後に、価数が増加したウランの価数を減少させる電解還元価数調整工程(S22)を設けることもできる。   That is, as shown in FIG. 2, an oxidation inhibitor charging step (S21) in which an oxidation inhibitor (for example, hydrazine) is added to the adjusted uranium solution (S20) to suppress an increase in the valence of uranium, The present invention can be applied to a technique including an oxalic acid precipitation step (S23) in which oxalic acid is added to a uranium solution charged with an oxidation inhibitor to precipitate the uranium, and a uranium recovery step (S24). It should be noted that an electrolytic reduction valence adjusting step (S22) for decreasing the valence of uranium having an increased valence may be provided after the oxidation inhibitor adding step (S21) as appropriate.

以上述べた少なくともひとつの実施形態のウランの回収方法によれば、ウラン溶液にU+4の酸化抑制剤を投入することにより、U+6に酸化することが防止されシュウ酸によるウランの沈殿物の回収率を向上させることが可能となる。さらに、プロセスが簡素化されると共に放射性廃棄物を減少させることができる。 According to the uranium recovery method of at least one embodiment described above, by adding a U +4 oxidation inhibitor to the uranium solution, it is prevented from being oxidized to U +6 and uranium precipitates due to oxalic acid. It is possible to improve the recovery rate. Further, the process can be simplified and radioactive waste can be reduced.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

Claims (4)

使用済み燃料を硝酸に溶解して水溶液にする溶解工程と、
前記溶解工程を経た後の前記水溶液を電解還元してウランの価数を減少させる第1電解還元価数調整工程と、
前記第1電解還元価数調整工程を経た後の前記水溶液に有機抽出溶媒を混合して有機層及び水層に分液する分液工程と、
前記分液工程を経た後の前記水層のウラン溶液に酸化抑制剤を投入してウランの価数の増加を抑制する酸化抑制剤投入工程と、
前記酸化抑制剤投入工程を経た後の前記水槽のウラン溶液を電解還元して価数の増加したウランの価数を減少させる第2電解還元価数調整工程と、
前記第2電解還元価数調整工程を経た後の前記水槽のウラン溶液にシュウ酸を投入し前記ウランを沈殿させるシュウ酸沈殿工程と、を含むことを特徴とするウランの回収方法。
A dissolving step of dissolving spent fuel in nitric acid to make an aqueous solution;
A first electrolytic reduction valence adjustment step of reducing the uranium valence by electrolytic reduction of the aqueous solution after the dissolution step;
A liquid separation step of mixing an organic extraction solvent into the aqueous solution after the first electrolytic reduction valence adjustment step and separating the mixture into an organic layer and an aqueous layer;
An oxidation inhibitor charging step for suppressing an increase in the valence of uranium by adding an oxidation inhibitor to the uranium solution in the aqueous layer after the liquid separation step ;
A second electrolytic reduction valence adjustment step of reducing the valence of uranium having an increased valence by electrolytic reduction of the uranium solution in the water tank after the oxidation inhibitor charging step;
An oxalic acid precipitation step of adding oxalic acid to the uranium solution in the water tank after the second electrolytic reduction valence adjustment step to precipitate the uranium.
請求項1に記載のウランの回収方法において、
前記酸化抑制剤は、ヒドラジンを含むことを特徴とするウランの回収方法。
The uranium recovery method according to claim 1 ,
The method for recovering uranium, wherein the oxidation inhibitor contains hydrazine.
請求項に記載のウランの回収方法において、
前記水層に含まれるウランに対する前記ヒドラジンのモル比を1以上とすることを特徴とするウランの回収方法。
The method for recovering uranium according to claim 2 ,
The method for recovering uranium, wherein a molar ratio of the hydrazine to uranium contained in the aqueous layer is 1 or more.
請求項1から請求項のいずれか1項に記載のウランの回収方法において、
前記ウラン溶液に含まれるウランに対する前記シュウ酸のモル比を2以上とすることを特徴とするウランの回収方法。
In the recovery method of uranium according to any one of claims 1 to 3 ,
A method for recovering uranium, wherein a molar ratio of the oxalic acid to uranium contained in the uranium solution is 2 or more.
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