JP6516659B2 - Simulated pellet, simulated fuel rod, and simulated fuel assembly - Google Patents
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Description
本発明は、模擬ペレット、模擬燃料棒、及び模擬燃料集合体に関する。 The present invention relates to simulated pellets, simulated fuel rods, and simulated fuel assemblies.
燃料集合体が収納されるキャスクは、落下時の安全性の評価が求められている。安全性の評価を行う場合、キャスク落下時の燃料集合体の変形又は破損状態を設定する必要がある。燃料集合体の変形又は破損状態を設定するための一つの方法として、燃料集合体を模擬した模擬燃料集合体を用いた落下試験による確認方法がある。ここで、放射性物質を含む燃料集合体の落下試験を行うことは試験場所の制約等の観点から困難なケースが多いため、燃料集合体を模擬した模擬燃料集合体を用意し、その模擬燃料集合体の落下試験を行って、評価に必要なデータを取得することが行われている。 Casks in which fuel assemblies are stored are required to be evaluated for safety when dropped. In the case of safety evaluation, it is necessary to set the deformation or damage state of the fuel assembly at the time of cask drop. As one method for setting the deformation or failure state of the fuel assembly, there is a confirmation method by a drop test using a simulated fuel assembly that simulates the fuel assembly. Here, there are many cases where it is difficult to conduct a drop test of a fuel assembly containing radioactive substances from the viewpoint of limitations of the test site, etc. Therefore, a simulated fuel assembly simulating a fuel assembly is prepared, and the simulated fuel assembly is prepared. A drop test of the body is performed to obtain data necessary for the evaluation.
模擬燃料集合体とは、実際の燃料棒を模擬した模擬燃料棒の集合体である。模擬燃料棒とは、実際の核燃料ペレットを模擬した模擬ペレットを燃料被覆管の内側に配置したものである(例えば、特許文献1参照)。模擬燃料集合体においては、核燃料ペレットに代えて模擬ペレットが使用されるものの、燃料被覆管をはじめとする核燃料ペレット以外の構成部材として、実際の燃料集合体と同じ部材が使用される。模擬ペレットを使用することにより、試験場所の制約等が緩和される。 The simulated fuel assembly is an assembly of simulated fuel rods that simulates actual fuel rods. The simulated fuel rods are those in which simulated pellets simulating actual nuclear fuel pellets are disposed inside a fuel cladding tube (see, for example, Patent Document 1). In the simulated fuel assembly, although simulated pellets are used instead of nuclear fuel pellets, the same members as actual fuel assemblies are used as components other than nuclear fuel pellets including fuel cladding. The use of simulated pellets alleviates restrictions on the test site.
従来の落下試験においては、模擬ペレットの重量を実際の核燃料ペレットと等価にするため、実際の核燃料ペレットと同レベルの密度を有する模擬ペレットが使用されている。模擬ペレットの材料として、比重が大きく成形が容易な鉛合金が使用される場合が多い。鉛合金の組成を調整することによって、核燃料ペレットと同レベルの密度を有する模擬ペレットが製造される。 In the conventional drop test, in order to make the weight of the simulated pellet equal to that of the actual nuclear fuel pellet, the simulated pellet having the same level of density as that of the actual nuclear fuel pellet is used. As a material of the simulated pellet, a lead alloy having a large specific gravity and easy forming is often used. By adjusting the composition of the lead alloy, simulated pellets having the same level of density as nuclear fuel pellets are produced.
実際の燃料棒は、主に燃料被覆管と、燃料被覆管の内側に配置される核燃料ペレットとを有する。燃料棒を落下させた場合、落下の衝撃により燃料棒が曲げ変形し、燃料被覆管の内面と核燃料ペレットとが接触する。燃料被覆管と核燃料ペレットとの接触の発生は、燃料被覆管の構造健全性に影響を与える。そして、落下時の燃料棒の曲げ変形挙動は、燃料被覆管の内側に配置された核燃料ペレットの剛性の影響を受ける。 An actual fuel rod mainly has a fuel cladding tube and nuclear fuel pellets disposed inside the fuel cladding tube. When the fuel rod is dropped, the impact of the drop causes the fuel rod to be bent and the inner surface of the fuel cladding tube comes in contact with the nuclear fuel pellet. The occurrence of contact between the fuel cladding and the nuclear fuel pellets affects the structural integrity of the fuel cladding. And the bending deformation behavior of the fuel rod at the time of falling is influenced by the rigidity of the nuclear fuel pellet disposed inside the fuel cladding tube.
そのため、実際の燃料集合体の落下試験を模擬するためには、模擬ペレットについて、密度のみならず、剛性についても、核燃料ペレットと同レベルにする必要がある。鉛合金からなる模擬ペレットは、核燃料ペレットに比べて剛性が著しく低いため、その模擬ペレットを使って構築された模擬燃料集合体の落下試験を行うと、実際の燃料棒の変形量に比べて大きな変形量となる場合がある。 Therefore, in order to simulate the actual drop test of the fuel assembly, it is necessary to make the simulated pellet not only the density but also the rigidity the same level as the nuclear fuel pellet. Since the simulated pellet consisting of lead alloy has extremely low rigidity compared to nuclear fuel pellets, the drop test of the simulated fuel assembly constructed using the simulated pellet shows a large amount of deformation compared to the actual fuel rods. It may be the amount of deformation.
本発明は、実際の燃料集合体の落下試験を模擬することができる模擬ペレット、模擬燃料棒、及び模擬燃料集合体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide simulated pellets, simulated fuel rods, and simulated fuel assemblies capable of simulating actual fuel assembly drop tests.
本発明は、燃料被覆管の内側に配置される核燃料ペレットを模擬する模擬ペレットであって、外径及び長さ寸法は核燃料ペレットと等しく、前記燃料被覆管の内面と接触する外面を有し、第1材料で形成された外筒部と、前記外筒部の内側に配置され、第2材料で形成された内芯部と、を備え、前記外筒部は、前記内芯部よりも高剛性であり、前記内芯部は、前記外筒部よりも高比重である、模擬ペレットを提供する。 The present invention is a simulated pellet that simulates a nuclear fuel pellet disposed inside a fuel cladding, the outer diameter and length dimensions being equal to the nuclear fuel pellet, having an outer surface in contact with the inner surface of the fuel cladding, An outer cylinder portion formed of a first material, and an inner core portion disposed inside the outer cylinder portion and formed of a second material, the outer cylinder portion being higher than the inner core portion The inner core portion provides a simulated pellet that is rigid and has a higher specific gravity than the outer cylinder portion.
本発明によれば、模擬ペレットを第1材料の外筒部と第2材料の内芯部とからなる2層構造とし、第1材料として高剛性材料を使用し、第2材料として高比重材料を使用することにより、実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性及び密度を有する模擬ペレットが提供される。模擬ペレットを使って構築された模擬燃料集合体の落下試験において、実際の燃料集合体の落下試験を模擬するためには、密度のみならず剛性も核燃料ペレットと同レベルの模擬ペレットを使用する必要がある。燃料被覆管と接触する外筒部を、核燃料ペレットの剛性と同レベルの高剛性の第1材料で形成し、燃料被覆管と接触しない内芯部を、高比重の第2材料で形成して模擬ペレットの全体重量(平均密度)を核燃料ペレットの全体重量と同レベルにすることにより、燃料集合体の落下試験を模擬することができ、実際の燃料棒の挙動の評価を適切に行うことができる。また、模擬ペレットを2層構造とすることにより、試験の内容に応じて第1,第2材料を選択したり、外筒部と内芯部との体積比率(重量比率)を調整したりすることによって、模擬ペレットは、必要な剛性及び全体重量を得ることができる。 According to the present invention, the simulated pellet has a two-layer structure consisting of the outer cylindrical portion of the first material and the inner core portion of the second material, using a high rigidity material as the first material, and a high specific gravity material as the second material. The use of the present invention provides simulated pellets having the same level of stiffness and density as actual nuclear fuel pellets. In the drop test of a simulated fuel assembly constructed using simulated pellets, in order to simulate the drop test of an actual fuel assembly, it is necessary to use simulated pellets of the same level as nuclear fuel pellets as well as density. There is. The outer cylinder portion in contact with the fuel cladding tube is formed of a high rigidity first material at the same level as the rigidity of the nuclear fuel pellets, and the inner core portion not in contact with the fuel cladding tube is formed of a second material of high specific gravity By making the total weight (average density) of the simulated pellets the same as the total weight of the nuclear fuel pellets, it is possible to simulate the drop test of the fuel assembly and to appropriately evaluate the actual behavior of the fuel rods. it can. Also, by making the simulated pellet into a two-layer structure, the first and second materials are selected according to the contents of the test, and the volume ratio (weight ratio) between the outer cylinder and the inner core is adjusted. By doing so, the simulated pellet can obtain the necessary rigidity and overall weight.
本発明において、前記外筒部は、前記核燃料ペレットと同剛性又は前記核燃料ペレットよりも高剛性であり、前記内芯部は、前記核燃料ペレットよりも高比重であることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the outer cylinder part has the same rigidity as the nuclear fuel pellet or higher rigidity than the nuclear fuel pellet, and the inner core part has a higher specific gravity than the nuclear fuel pellet.
外筒部を核燃料ペレットよりも高剛性にすることにより、実際の核燃料ペレットが燃料被覆管に与えるダメージよりも大きいダメージを燃料被覆管に与えることができ、厳しい試験条件で燃料被覆管健全性を評価することができる。また、外筒部を核燃料ペレットと同剛性にすることにより、実際の核燃料ペレットが燃料被覆管に与えるダメージと同レベルのダメージを燃料被覆管に与えることができ、核燃料ペレットが燃料被覆管に接触したときの燃料棒の挙動を再現することができる。内芯部を核燃料ペレットよりも高比重にすることにより、模擬ペレット全体として核燃料ペレットの重量を模擬することができる。 By making the outer cylinder more rigid than the nuclear fuel pellets, the fuel cladding can be damaged more than the actual nuclear fuel pellets do to the fuel cladding, and the fuel cladding integrity under severe test conditions It can be evaluated. In addition, by making the outer cylinder part the same rigidity as the nuclear fuel pellets, the fuel cladding can be damaged to the same level as the damage of the actual nuclear fuel pellets to the fuel cladding, and the nuclear fuel pellets contact the fuel cladding It is possible to reproduce the behavior of the fuel rod when the By making the inner core portion have a specific gravity higher than that of the nuclear fuel pellets, it is possible to simulate the weight of the nuclear fuel pellets as the whole simulated pellet.
本発明において、前記外筒部は、セラミックスを含み、前記内芯部は、タングステンを含むことが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the outer cylinder part contains a ceramic, and the inner core part contains tungsten.
外筒部がセラミックスで形成されることにより、核燃料ペレットと同レベルの剛性を得ることができる。また、内芯部が高比重なタングステンで形成されることにより、模擬ペレットは、核燃料ペレットと同レベルの全体重量を得ることができる。 By forming the outer cylinder portion with ceramics, the same level of rigidity as the nuclear fuel pellet can be obtained. In addition, since the inner core portion is formed of tungsten having a high specific gravity, the simulated pellet can obtain the same total weight as the nuclear fuel pellet.
本発明において、前記第1材料は、アルミナ、フォルステライト、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、フッ素金雲母、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、タングステン、及び炭化タングステンのいずれか一つを含み、前記第2材料は、タングステン、炭化タングステン、鉛、鉛合金、金、銀、白金、及びタンタルのいずれか一つを含むことが好ましい。 In the present invention, the first material includes any one of alumina, forsterite, zirconia, silicon nitride, silicon carbide, fluorine phlogopite, carbon steel, stainless steel, alloy steel, tungsten, and tungsten carbide, The second material preferably contains any one of tungsten, tungsten carbide, lead, lead alloy, gold, silver, platinum and tantalum.
これらの第1材料は、核燃料ペレットと同剛性又は前記核燃料ペレットよりも高剛性を有する。また、これらの第2材料は、核燃料ペレットよりも比重が高い。したがって、これらの第1,第2材料を使用することにより、核燃料ペレットの剛性及び全体重量を再現することができる。 These first materials have the same rigidity as the nuclear fuel pellet or higher rigidity than the nuclear fuel pellet. Also, these second materials have a higher specific gravity than nuclear fuel pellets. Therefore, by using these first and second materials, the rigidity and overall weight of the nuclear fuel pellet can be reproduced.
本発明において、平均密度が10[g/cm3]以上11[g/cm3]以下に調整されることが好ましい。 In the present invention, the average density is preferably adjusted to 10 [g / cm 3 ] or more and 11 [g / cm 3 ] or less.
二酸化ウランの理論密度は、10.96[g/cm3]程度であると言われている。一方、実際の核燃料ペレットは、粒径が5[μm]以上10[μm]以下の多結晶焼結体であり、その実際密度は、通常理論密度の95[%]以上97[%]以下であると言われている。したがって、模擬ペレットの平均密度(外筒部と内芯部とを合わせた全体密度)は、核燃料ペレットの実際密度に合わせて、10[g/cm3]以上11[g/cm3]以下であることが好ましい。 The theoretical density of uranium dioxide is said to be about 10.96 [g / cm 3 ]. On the other hand, the actual nuclear fuel pellet is a polycrystalline sintered body having a grain size of 5 μm to 10 μm, and its actual density is usually 95% to 97% of the theoretical density. It is said that there is. Therefore, the average density of the simulated pellets (the total density of the outer cylinder part and the inner core part combined) is 10 [g / cm 3 ] or more and 11 [g / cm 3 ] or less according to the actual density of nuclear fuel pellets. Is preferred.
本発明において、前記外筒部は、前記第1材料からなる単一部材であることが好ましい。 In the present invention, the outer cylinder portion is preferably a single member made of the first material.
落下試験においては、燃料被覆管の内面と外筒部とが接触し、外筒部に力が加わる。外筒部が複数の部材から構成される場合、落下試験において、外筒部の部材接続部に亀裂が生じたり、外筒部が部材接続部を起点として破損したりする可能性が高くなる。外筒部を単一部材とすることによって、落下試験において、実際の核燃料ペレットには生じない外筒部材の接続部における亀裂や破損が抑制される。 In the drop test, the inner surface of the fuel cladding tube and the outer cylinder contact with each other, and a force is applied to the outer cylinder. In the case where the outer cylindrical portion is composed of a plurality of members, in the drop test, there is a high possibility that the member connecting portion of the outer cylindrical portion may be cracked or the outer cylindrical portion may be damaged starting from the member connecting portion. By forming the outer cylinder portion as a single member, cracking and breakage at the connection portion of the outer cylinder member which does not occur in actual nuclear fuel pellets in the drop test can be suppressed.
本発明は、燃料被覆管と、前記燃料被覆管の内側に配置される上記の模擬ペレットと、を備える模擬燃料棒を提供する。 The present invention provides a simulated fuel rod comprising a fuel cladding tube and the above-described simulated pellet disposed inside the fuel cladding tube.
本発明によれば、実際の燃料集合体の落下試験又は実際の燃料棒の落下試験を模擬することができる。 According to the present invention, it is possible to simulate an actual fuel assembly drop test or an actual fuel rod drop test.
本発明において、前記燃料被覆管の内側に、外形が等しい前記模擬ペレットが複数設けられ、複数の前記模擬ペレットは、第1模擬ペレットと、前記第1模擬ペレットよりも前記燃料被覆管の端部に配置され、前記外筒部の体積が前記第1模擬ペレットよりも大きい第2模擬ペレットと、を含むことが好ましい。 In the present invention, a plurality of the simulated pellets having the same outer shape are provided inside the fuel cladding tube, and a plurality of the simulated pellets are a first simulation pellet and an end portion of the fuel cladding tube than the first simulation pellet. It is preferable that the second simulated pellet is disposed in the second simulated pellet and the volume of the outer cylinder portion is larger than that of the first simulated pellet.
模擬燃料棒の中央部よりも端部を下方に向けて落下させる落下試験においては、模擬燃料棒の端部は中央部よりも大きく曲げ変形する。第1模擬ペレットと第2模擬ペレットとは外形が等しく、第2模擬ペレットの外筒部の体積は第1模擬ペレットの外筒部の体積よりも大きい。すなわち、第2模擬ペレットは、第1模擬ペレットに比べて、外筒部の占める割合が大きい。そのため、剛性に関しては、第2模擬ペレットの方が、第1模擬ペレットよりも、実際の核燃料ペレットに近似する。実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性を有する第2模擬ペレットを、落下試験において大きく曲げ変形する燃料被覆管の端部に配置することにより、模擬燃料棒は、落下時の燃料棒の曲げ変形挙動をより忠実に再現することができる。一方、全体重量に関しては、第1模擬ペレットの方が、第2模擬ペレットよりも、大きい。そのため、模擬燃料棒全体として、実際の燃料棒の重量を再現することができる。 In a drop test in which the end is dropped downward from the center of the simulated fuel rod, the end of the simulated fuel rod is bent and deformed to a greater extent than the center. The first simulated pellet and the second simulated pellet have the same outer shape, and the volume of the outer cylinder of the second simulated pellet is larger than the volume of the outer cylinder of the first simulated pellet. That is, the proportion of the outer cylinder portion of the second simulated pellet is larger than that of the first simulated pellet. Therefore, in terms of rigidity, the second simulated pellet is closer to the actual nuclear fuel pellet than the first simulated pellet. By placing a second simulated pellet having the same level of rigidity as the actual nuclear fuel pellet at the end of the fuel cladding tube that undergoes significant bending deformation in the drop test, the simulated fuel rod is subjected to bending deformation behavior of the fuel rod when falling Can be reproduced more faithfully. On the other hand, with regard to the overall weight, the first simulated pellet is larger than the second simulated pellet. Therefore, the actual weight of the fuel rod can be reproduced as the whole simulated fuel rod.
本発明は、燃料被覆管と、前記燃料被覆管の内側に配置され、核燃料ペレットを模擬する複数の模擬ペレットと、を備え、複数の前記模擬ペレットは、外形が等しく、第1材料及び第2材料の少なくとも一方で形成され、前記第1材料は、前記第2材料よりも高剛性であり、前記第2材料は、前記第1材料よりも高比重であり、複数の前記模擬ペレットのうち、前記燃料被覆管の端部に配置される前記模擬ペレットにおいて前記第1材料が占める体積は、前記燃料被覆管の中央部に配置される前記模擬ペレットにおいて前記第1材料が占める体積よりも大きい、模擬燃料棒を提供する。 The present invention comprises a fuel cladding tube and a plurality of simulated pellets disposed inside the fuel cladding tube and simulating nuclear fuel pellets, the plurality of simulated pellets having the same outer shape, a first material and a second material. It is formed of at least one of the materials, the first material is higher in rigidity than the second material, and the second material is higher in specific gravity than the first material, and among the plurality of simulated pellets, The volume occupied by the first material in the simulated pellet disposed at the end of the fuel cladding tube is larger than the volume occupied by the first material in the simulated pellet disposed at the central portion of the fuel cladding tube. Provide simulated fuel rods.
本発明によれば、燃料棒が、剛性及び比重が異なる少なくとも2種類の模擬ペレットで構成されるので、実際の燃料棒の特定部位と同レベルの剛性及び実際の燃料棒と同レベルの全体重量を有する模擬燃料棒が提供される。そのため、実際の燃料集合体の落下試験又は実際の燃料棒の落下試験を模擬することができる。また、少なくとも2種類の模擬ペレットを使用することにより、試験の内容に応じて第1,第2模擬ペレットを選択したり、第1,第2模擬ペレットの比率を調整したりすることによって、模擬燃料棒は、必要な剛性及び全体重量を得ることができる。 According to the present invention, since the fuel rod is composed of at least two types of simulated pellets of different stiffness and specific gravity, the same level of rigidity as the specific part of the actual fuel rod and the same overall weight of the actual fuel rod A simulated fuel rod is provided. Therefore, it is possible to simulate an actual fuel assembly drop test or an actual fuel rod drop test. In addition, by using at least two types of simulated pellets, simulation can be performed by selecting the first and second simulated pellets according to the content of the test or adjusting the ratio of the first and second simulated pellets. The fuel rods can provide the necessary rigidity and overall weight.
本発明において、前記端部に配置される前記模擬ペレットは、前記第1材料のみで形成され、前記中央部に配置される前記模擬ペレットは、前記第2材料のみで形成されることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that the simulated pellet disposed at the end is formed of only the first material, and the simulated pellet disposed at the central portion is formed of only the second material.
模擬燃料棒の中央部よりも端部を下方に向けて落下させる落下試験においては、模擬燃料棒の端部は中央部よりも大きく曲げ変形する。端部に配置される模擬ペレットは、高剛性の第1材料のみで形成されており、剛性に関しては、端部に配置される模擬ペレットの方が、中央部に配置される模擬ペレットよりも、実際の核燃料ペレットに近似する。実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性を有する模擬ペレットを、落下試験において大きく曲げ変形する燃料被覆管の端部に配置することにより、模擬燃料棒は、落下時の燃料棒の曲げ変形挙動をより忠実に再現することができる。一方、中央部に配置される模擬ペレットは、高比重の第2材料のみで形成されており、模擬燃料棒全体として、実際の燃料棒の重量を再現することができる。また、模擬ペレットが、第1材料のみ又は第2材料のみで形成されることにより、模擬ペレットの製造コストが抑制される。 In a drop test in which the end is dropped downward from the center of the simulated fuel rod, the end of the simulated fuel rod is bent and deformed to a greater extent than the center. The simulated pellet disposed at the end is formed of only the first material with high rigidity, and in terms of rigidity, the simulated pellet disposed at the end is more than the simulated pellet disposed at the central portion, It approximates to actual nuclear fuel pellets. By placing the simulated pellet, which has the same level of rigidity as the actual nuclear fuel pellet, at the end of the fuel cladding tube that undergoes large bending deformation in the drop test, the simulated fuel rod can make the bending deformation behavior of the fuel rod during falling more It can be faithfully reproduced. On the other hand, the simulated pellet disposed in the central portion is formed of only the second material of high specific gravity, and the actual weight of the fuel rod can be reproduced as the entire simulated fuel rod. In addition, since the simulated pellet is formed of only the first material or the second material alone, the manufacturing cost of the simulated pellet is suppressed.
本発明において、複数の前記模擬ペレットのうち、少なくとも一つの前記模擬ペレットは、前記燃料被覆管の内面と接触する外面を有し、前記第1材料で形成された外筒部と、前記外筒部の内側に配置され、前記第2材料で形成された内芯部と、を有してもよい。 In the present invention, of the plurality of simulated pellets, at least one of the simulated pellets has an outer surface in contact with the inner surface of the fuel cladding tube, and an outer cylinder portion formed of the first material; And an inner core portion disposed inside the portion and formed of the second material.
模擬ペレットが、第1材料で形成される外筒部と第2材料で形成される内芯部とを有することにより、実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性及び密度を有する模擬ペレットが提供されるため、模擬燃料棒は、実際の燃料棒の剛性及び全体重量を再現することができる。 The simulated pellet having the outer cylindrical portion formed of the first material and the inner core portion formed of the second material provides the simulated pellet having the same level of rigidity and density as the actual nuclear fuel pellet. Thus, the simulated fuel rods can reproduce the actual fuel rod stiffness and overall weight.
本発明は、上記の模擬燃料棒を複数備える模擬燃料集合体を提供する。 The present invention provides a simulated fuel assembly comprising a plurality of the simulated fuel rods described above.
本発明によれば、実際の燃料集合体の落下試験を模擬することができ、実際の燃料棒及び燃料集合体の挙動を把握し、キャスクの安全性の評価を適切に行うことができる。 According to the present invention, it is possible to simulate the actual fuel assembly drop test, to grasp the actual behavior of the fuel rods and fuel assemblies, and to appropriately evaluate the safety of the cask.
本発明によれば、実際の燃料集合体の落下試験を模擬することができる模擬ペレット、模擬燃料棒、及び模擬燃料集合体が提供される。 According to the present invention, there are provided simulated pellets, simulated fuel rods and simulated fuel assemblies capable of simulating the actual fuel assembly drop test.
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. The components of each embodiment described below can be combined as appropriate. In addition, some components may not be used.
<第1実施形態>
第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る模擬燃料集合体1の一例を模式的に示す構成図である。図2は、本実施形態に係る模擬燃料集合体1の断面図である。図1及び図2に示すように、模擬燃料集合体1は、複数の模擬燃料棒2と、制御棒3が挿入される制御棒案内管4と、炉内計装用検出器5が挿入される炉内計装用案内管6と、これらを束ねるグリッド7とを備えている。また、模擬燃料集合体1は、模擬燃料棒2の軸方向に関して上部に設けられた上部ノズル8と、軸方向に関して下部に設けられた下部ノズル9とを備えている。上部ノズル8及び下部ノズル9は、制御棒案内管4、及び炉内計装用案内管6の軸方向の上端部及び下端部を固定する。
First Embodiment
The first embodiment will be described. FIG. 1 is a configuration view schematically showing an example of a
図3は、本実施形態に係る模擬燃料棒2の一例を示す図であって、一部を切断して表わした図である。模擬燃料棒2は、円筒形状の燃料被覆管10と、燃料被覆管10の内側に配置され、核燃料ペレットを模擬する複数の模擬ペレット20とを備えている。模擬ペレット20は、燃料被覆管10の内側において、燃料被覆管10の軸方向に複数配置される。複数の模擬ペレット20の外形は、等しい。また、模擬燃料棒2は、最も上側に配置される模擬ペレット20を抑えるスプリング11と、燃料被覆管10の上端部を塞ぐ上部端栓12と、燃料被覆管10の下端部を塞ぐ下部端栓13とを備えている。スプリング11により、輸送中や取扱い中の模擬ペレット20の移動を防止する。
FIG. 3 is a view showing an example of the
図4は、本実施形態に係る模擬ペレット20の一例を示す側断面図である。図5は、本実施形態に係る模擬ペレット20の一例を示す平面図である。模擬ペレット20は、燃料被覆管10の内側に配置される核燃料ペレットを模擬する。核燃料ペレットは、二酸化ウランのような原子材料の粉末を圧縮成型し、水素雰囲気中又は水素と窒素と混合雰囲気中で焼結した後、円柱形状に成形したものである。すなわち、核燃料ペレットは、セラミックス体である。模擬ペレット20は、重量が核燃料ペレットと同レベルとなり、燃料被覆管10の内面と接触する部分の剛性が核燃料ペレットと同レベルとなるように製造される。
FIG. 4 is a side sectional view showing an example of the
模擬ペレット20は、燃料被覆管10の内面と接触する外面20Sを有し、第1材料で形成された外筒部21と、外筒部21の内側に配置され、第2材料で形成された内芯部22とを備えている。外筒部21は、第1材料からなる単一部材である。内芯部22は、第2材料からなる単一部材である。外筒部21は、円筒形状であり、内芯部22は、円柱形状である。外筒部21の中心と内芯部22の中心とは一致する。模擬ペレット20は、2層同芯構造である。
The
外筒部21は、内芯部22よりも高剛性である。内芯部22は、外筒部21よりも高比重である。外筒部21は、核燃料ペレットと同剛性である。内芯部22は、核燃料ペレットよりも高比重である。
The outer
外筒部21を形成する第1材料として、アルミナ、フォルステライト、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、フッ素金雲母、炭素鋼、ステンレス鋼、合金鋼、タングステン、及び炭化タングステンの少なくとも一つが例示される。
Examples of the first material forming the
内芯部22を形成する第2材料として、タングステン、炭化タングステン、鉛、鉛合金、金、銀、白金、及びタンタルの少なくとも一つが例示される。
Examples of the second material for forming the
本実施形態においては、外筒部21は、第1材料のうち、アルミナ、フォルステライト、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、及びフッ素金雲母のいずれか一つのセラミックス体である。内芯部22は、タングステン又は炭化タングステンで形成される。
In the present embodiment, the
外筒部21は、第1材料の円柱形状のセラミックス体を形成し、そのセラミックス体の中心部をドリルで孔あけ加工することによって製造される。又はドリルを用いずに、型を用いて円筒形状に成形して外筒部21を製造しても良い。円筒形状の外筒部21が製造された後、その外筒部21の内側に、第2材料からなる円柱形状の内芯部22を嵌め込むことによって、模擬ペレット20が製造される。外筒部21と内芯部22とは、焼嵌め又は冷嵌めのような外筒部21と内芯部22との熱膨張量差を利用して固定されてもよいし、接着剤を使って固定されてもよい。
The outer
二酸化ウランの理論密度は、10.96[g/cm3]程度であると言われている。一方、実際の核燃料ペレットは、粒径が5[μm]以上10[μm]以下の多結晶焼結体であり、その実際の密度は、通常理論密度の95[%]以上97[%]以下であると言われている。したがって、核燃料ペレットの密度は、10.412[g/cm3]以上10.6312[g/cm3]以下である。 The theoretical density of uranium dioxide is said to be about 10.96 [g / cm 3 ]. On the other hand, the actual nuclear fuel pellet is a polycrystalline sintered body having a grain size of 5 μm to 10 μm, and the actual density thereof is usually 95% to 97% of the theoretical density. It is said that Therefore, the density of the nuclear fuel pellets is 10.412 [g / cm 3 ] or more and 10.6312 [g / cm 3 ] or less.
第2材料の密度は、核燃料ペレットの密度よりも大きい。例えば、タングステンの密度は、19.3[g/cm3]であり、炭化タングステンの密度は、15.63[g/cm3]であり、鉛の密度は、11.36[g/cm3]であり、金の密度は、19.32[g/cm3]であり、銀の密度は、10.49[g/cm3]であり、白金の密度は、21.45[g/cm3]であり、タンタルの密度は、16.6[g/cm3]である。 The density of the second material is greater than the density of nuclear fuel pellets. For example, the density of tungsten is 19.3 [g / cm 3 ], the density of tungsten carbide is 15.63 [g / cm 3 ], and the density of lead is 11.36 [g / cm 3]. ], The density of gold is 19.32 [g / cm 3 ], the density of silver is 10.49 [g / cm 3 ], the density of platinum is 21.45 [g / cm]. 3 ], and the density of tantalum is 16.6 [g / cm 3 ].
一方、第1材料の密度は、核燃料ペレットの密度よりも小さい。本実施形態においては、模擬ペレット20の平均密度(外筒部21と内芯部22とを合わせた全体密度)が、核燃料ペレットの密度と同レベルになるように、第1材料からなる外筒部21と第2材料からなる内芯部22との比率(体積比率)が調整される。本実施形態においては、模擬ペレット20の平均密度が、10[g/cm3]以上11[g/cm3]以下になるように、外筒部21と内芯部22との比率が調整される。
On the other hand, the density of the first material is smaller than the density of nuclear fuel pellets. In the present embodiment, the outer cylinder made of the first material so that the average density of the simulated pellets 20 (the total density of the
次に、模擬ペレット20を使って構築された模擬燃料集合体1の落下試験の一例について説明する。本実施形態においては、模擬燃料棒2の軸方向に関して、模擬燃料集合体1(模擬燃料棒2)の中央部よりも下端部を下方に向けて落下させる落下試験が実施される。すなわち、落下試験においては、図1の矢印で示すように、模擬燃料集合体1は、下部ノズル9が上部ノズル8よりも下方に配置された状態で、落下する。
Next, an example of a drop test of the
図6は、模擬燃料集合体1の落下試験における、模擬燃料棒2の挙動を模式的に示す図である。落下の衝撃により、模擬燃料棒2の少なくとも一部が曲げ変形する。図6に示すように、模擬燃料棒2の下端部が中央部よりも下方に向けられた状態で模擬燃料棒2が落下した場合、模擬燃料棒2の中央部よりも下端部のほうが、大きく曲げ変形する。
FIG. 6 is a view schematically showing the behavior of the
図7は、模擬燃料棒2が曲げ変形したときの燃料被覆管10と模擬ペレット20との関係を模式的に示す図である。落下により燃料被覆管10が曲がると、燃料被覆管10と模擬ペレット20との相対位置が変化し、模擬ペレット20の外面20Sの一部(特に角部)との接触力が増大する。燃料被覆管10は、模擬ペレット20からダメージを受ける。
FIG. 7 is a view schematically showing the relationship between the
本実施形態においては、核燃料ペレットと同レベルの剛性を有する外筒部21に、燃料被覆管10の内面と接触する模擬ペレット20の外面20Sが設けられている。換言すれば、模擬ペレット20のうち、核燃料ペレットと同レベルの剛性を有する外筒部21が、燃料被覆管10の内面と接触する。
In the present embodiment, the
落下時の実際の燃料棒の曲げ変形挙動は、燃料被覆管10の内側の核燃料ペレットの剛性に影響されると考えられる。本実施形態においては、模擬ペレット20のうち、燃料被覆管10の内面と接触する部分が、核燃料ペレットと同レベルの剛性なので、落下時の実際の燃料棒の曲げ変形挙動を、模擬燃料棒2を使って再現することができる。
It is considered that the bending deformation behavior of the actual fuel rod at the time of the drop is influenced by the rigidity of the nuclear fuel pellet inside the
また、外筒部21の剛性は、核燃料ペレットの剛性と同レベル(同剛性)なので、実際の核燃料ペレットが燃料被覆管10に与えるダメージと同レベルのダメージを燃料被覆管10に与えることができ、核燃料ペレットが燃料被覆管10に接触したときの燃料棒の挙動を再現することができる。
Further, since the rigidity of the
以上説明したように、本実施形態によれば、模擬ペレット20を第1材料の外筒部21と第2材料の内芯部22とからなる2層構造とし、第1材料として高剛性材料を使用し、第2材料として高比重材料を使用することにより、実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性及び密度を有する模擬ペレット20を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, the
燃料被覆管10と接触する外筒部21を、核燃料ペレットの剛性と同レベルの剛性の第1材料で形成することにより、落下時の燃料棒の曲げ変形挙動を、模擬燃料棒2を使って再現することができる。また、実際の核燃料ペレットが燃料被覆管10に与えるダメージと同レベルのダメージを燃料被覆管10に与えることができ、核燃料ペレットが燃料被覆管10に接触したときの燃料棒の挙動を再現することができる。
By forming the
第1材料の比重は、核燃料ペレットの比重よりも小さい。燃料被覆管10と接触しない内芯部22を、高比重の第2材料で形成することにより、模擬ペレット20の全体重量(平均密度)を核燃料ペレットの全体重量と同レベルにすることができる。これにより、剛性のみならず、重量に関しても、核燃料ペレットを再現することができる。
The specific gravity of the first material is less than the specific gravity of the nuclear fuel pellets. By forming the
したがって、実際の燃料棒及び燃料集合体の落下試験を模擬することができ、実際の燃料棒及び燃料集合体の挙動を把握し、キャスクの安全性の評価を適切に行うことができる。 Therefore, actual fuel rod and fuel assembly drop tests can be simulated, actual fuel rod and fuel assembly behavior can be grasped, and cask safety evaluation can be appropriately performed.
また、模擬ペレット20を2層構造とすることにより、試験の内容に応じて第1,第2材料を選択したり、外筒部21と内芯部22との比率(重量比率、体積比率)を調整したりすることによって、模擬ペレット20は、必要な剛性及び全体重量を得ることができる。
Further, by making the
また、本実施形態においては、外筒部21は、第1材料のうち、アルミナ、フォルステライト、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素、及びフッ素金雲母のいずれか一つのセラミックスを含み、内芯部22は、タングステンを含む。外筒部21がセラミックスで形成されることにより、核燃料ペレットと同レベルの剛性を得ることができる。また、内芯部22が高比重なタングステンで形成されることにより、模擬ペレット20は、核燃料ペレットと同レベルの全体重量を得ることができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態においては、外筒部21は、第1材料からなる単一部材である。図6を参照して説明したように、落下試験においては、燃料被覆管10の内面と外筒部21との接触力が増大する。外筒部21が複数の部材から構成される場合、落下試験において、外筒部21の部材接続部において亀裂が生じたり、外筒部21が部材接続部を起点として破損したりする可能性が高くなる。外筒部21を単一部材とすることによって、落下試験において、実際の核燃料ペレットには生じない外筒部21での部材接続部における亀裂や破損が抑制される。
Further, in the present embodiment, the
なお、本実施形態においては、外筒部21は、核燃料ペレットと同剛性であることとした。外筒部21は、核燃料ペレットよりも高剛性でもよい。外筒部21を核燃料ペレットよりも高剛性にすることにより、実際の核燃料ペレットが燃料被覆管10に与えるダメージよりも大きいダメージを燃料被覆管10に与えることができ、厳しい試験条件で燃料被覆管10を評価することができる。また、内芯部22の剛性が著しく低くても、外筒部21を核燃料ペレットよりも高剛性にすることにより、模擬ペレット20全体として核燃料ペレットの剛性を模擬することができる。
In the present embodiment, the
<第2実施形態>
第2実施形態について説明する。本実施形態においては、外筒部21と内芯部22との体積比率が、模擬ペレット20毎に異なる例について説明する。
Second Embodiment
The second embodiment will be described. In the present embodiment, an example will be described in which the volume ratio between the outer
図8は、本実施形態に係る模擬燃料棒2の一例を模式的に示す図である。上述の第1実施形態と同様、燃料被覆管10の内側には、外形が等しい模擬ペレット20が模擬燃料棒2の軸方向に複数設けられる。
FIG. 8 is a view schematically showing an example of the
模擬燃料棒2の軸方向に関して、燃料被覆管10の中央部に配置される模擬ペレット20を第1模擬ペレット20Aと称し、下端部に配置される模擬ペレット20を第2模擬ペレット20Bと称した場合、第2模擬ペレット20Bの外筒部21の体積は、第1模擬ペレット20Aの外筒部21の体積よりも大きい。換言すれば、第2模擬ペレット20Bは、第1模擬ペレット20Aに比べて、外筒部21(第1材料)が占める割合(体積)が大きい。そのため、剛性に関しては、第2模擬ペレット20Bの方が、第1模擬ペレット20Aよりも、実際の核燃料ペレットに近似する。
The
上述のように、模擬燃料棒2の中央部よりも端部を下方に向けて落下させる落下試験においては、模擬燃料棒2の端部は中央部よりも大きく曲げ変形する。実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性を有する第2模擬ペレット20Bを、落下試験において大きく曲げ変形する燃料被覆管10の下端部に配置することにより、模擬燃料棒2は、落下時の燃料棒の曲げ変形挙動を忠実に再現することができる。一方、重量に関しては、第1模擬ペレット20Aの方が、第2模擬ペレット20Bよりも大きい。第1材料の比重は、核燃料ペレットの比重よりも小さく、第2材料の比重は、核燃料ペレットの比重よりも大きいので、第2模擬ペレット20Bの第1材料の割合を多くした分、第1模擬ペレット20Aの第2材料の割合を多くすることによって、模擬燃料棒2全体として、実際の燃料棒の重量を再現することができる。
As described above, in the drop test in which the end portion of the
(第1,第2実施形態の変形例)
なお、上述の第1,第2実施形態においては、外筒部21が円筒形状であり、内芯部22が円柱形状である2層同芯構造であることとした。内芯部22は、円筒形状でもよい。また、図9に示すように、外筒部21が、円筒部211と、底部212とを有してもよい。また、図10に示すように、外筒部21が、円筒部211と、底部212と、開口213Kを有する天部213とを有してもよい。図10に示す例においては、内芯部22は、開口213Kから外筒部21の内部に第2材料を鋳込むことによって製造される。また、図11に示すように、外筒部21が2つ設けられていてもよい。
(Modification of the first and second embodiments)
In the first and second embodiments described above, the
<第3実施形態>
第3実施形態について説明する。本実施形態においては、燃料被覆管10に、第1材料のみで形成された模擬ペレットと、第2材料のみで形成された模擬ペレットとが配置される例について説明する。
Third Embodiment
A third embodiment will be described. In the present embodiment, an example will be described in which a simulated pellet formed only of the first material and a simulated pellet formed only of the second material are disposed in the
図12は、本実施形態に係る模擬燃料棒2の一例を模式的に示す図である。上述の第1,第2実施形態と同様、燃料被覆管10の内側には、外形が等しい模擬ペレット20が模擬燃料棒2の軸方向に複数設けられる。
FIG. 12 is a view schematically showing an example of the
模擬燃料棒2の軸方向に関して、燃料被覆管10の中央部に配置される模擬ペレット20を第3模擬ペレット20Cと称し、下端部に配置される模擬ペレット20を第4模擬ペレット20Dと称した場合、下端部に配置される第4模擬ペレット20Dは、第1材料のみで形成され、中央部に配置される第3模擬ペレット20Cは、第2材料のみで形成される。
The
剛性に関しては、下端部に配置される第4模擬ペレット20Dの方が、中央部に配置される第3模擬ペレット20Cよりも、実際の核燃料ペレットに近似する。実際の核燃料ペレットと同レベルの剛性を有する第4模擬ペレット20Dを、落下試験において大きく曲げ変形する燃料被覆管10の下端部に配置することにより、模擬燃料棒10は、落下時の燃料棒の曲げ変形挙動を忠実に再現することができる。一方、中央部に配置される第3模擬ペレット20Cは、高比重の第2材料のみで形成されており、模擬燃料棒2全体として、実際の燃料棒の重量を再現することができる。また、模擬ペレット20が、第1材料のみ又は第2材料のみで形成されることにより、模擬ペレット20の製造コストが抑制される。
Regarding the rigidity, the fourth
なお、上述の各実施形態において、模擬燃料集合体1は、使用済燃料集合体を模擬するものでもよいし、新燃料集合体を模擬するものでもよい。
In each embodiment described above, the
なお、上述の各実施形態においては、燃料被覆管10の内側に外径及び長さ寸法が等しい模擬ペレットが複数設けられることとした。外径及び長さ寸法が異なる模擬ペレットが燃料被覆管10に複数配置されてもよい。例えば、落下時の変形が大きい模擬燃料棒2の端部に外径が大きい模擬ペレットが配置され、落下時の変形が端部に比べて小さい模擬燃料棒2の中央部に外径が小さい模擬ペレットが配置されてもよい。外径が大きい模擬ペレットは、外径が小さい模擬ペレットに比べて、燃料被覆管10の内面との間隙が小さく、模擬燃料棒2の小さい変形で燃料被覆管10の内面と接触するため、燃料被覆管10に与えるダメージが大きい。そのため、外径が大きい模擬ペレットが、落下時の変形が大きい燃料被覆管10の端部に配置されることが好ましい。一方、制作のし易さの観点から、落下時の変形が小さい模擬燃料棒2の中央部には、燃料被覆管10の内面との間隙が大きい、外径が小さい模擬ペレットが配置されることが好ましい。
In each of the embodiments described above, a plurality of simulated pellets having the same outer diameter and length dimension are provided inside the
1 模擬燃料集合体
2 模擬燃料棒
3 制御棒
4 制御棒案内管
5 炉内計装用検出器
6 炉内計装用案内管
7 グリッド
8 上部ノズル
9 下部ノズル
10 燃料被覆管
11 スプリング
12 上部端栓
13 下部端栓
20 模擬ペレット
20A 第1模擬ペレット
20B 第2模擬ペレット
20C 第3模擬ペレット
20D 第4模擬ペレット
20S 外面
211 円筒部
212 底部
213 天部
213K 開口
DESCRIPTION OF
Claims (12)
前記燃料被覆管の内面と接触する外面を有し、第1材料で形成された外筒部と、
前記外筒部の内側に配置され、第2材料で形成された内芯部と、
を備え、
前記外筒部は、前記内芯部よりも高剛性であり、
前記内芯部は、前記外筒部よりも高比重である、
模擬ペレット。 A simulated pellet that simulates a nuclear fuel pellet disposed inside a fuel cladding tube, comprising:
An outer cylinder portion having an outer surface in contact with the inner surface of the fuel cladding tube and formed of a first material;
An inner core portion disposed inside the outer cylinder portion and formed of a second material;
Equipped with
The outer cylinder portion is more rigid than the inner core portion,
The inner core portion has a higher specific gravity than the outer cylinder portion.
Simulated pellet.
前記内芯部は、前記核燃料ペレットよりも高比重である、
請求項1に記載の模擬ペレット。 The outer cylindrical portion has the same rigidity as that of the nuclear fuel pellet or higher rigidity than that of the nuclear fuel pellet,
The inner core portion has a higher specific gravity than the nuclear fuel pellet.
The simulated pellet according to claim 1.
前記内芯部は、タングステンを含む、
請求項1又は請求項2に記載の模擬ペレット。 The outer cylinder portion contains a ceramic,
The inner core portion comprises tungsten,
The simulated pellet according to claim 1 or 2.
前記第2材料は、タングステン、炭化タングステン、鉛、鉛合金、金、銀、白金、及びタンタルのいずれか一つを含む、
請求項1又は請求項2に記載の模擬ペレット。 The first material includes any one of alumina, forsterite, zirconia, silicon nitride, silicon carbide, fluorine phlogopite, carbon steel, stainless steel, alloy steel, tungsten, and tungsten carbide,
The second material includes any one of tungsten, tungsten carbide, lead, lead alloy, gold, silver, platinum and tantalum.
The simulated pellet according to claim 1 or 2.
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の模擬ペレット。 The average density is adjusted to 10 [g / cm 3 ] or more and 11 [g / cm 3 ] or less,
The simulated pellet according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の模擬ペレット。 The outer cylindrical portion is a single member made of the first material.
The simulated pellet according to any one of claims 1 to 5.
前記燃料被覆管の内側に配置される請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の模擬ペレットと、
を備える模擬燃料棒。 Fuel cladding tube,
The simulated pellet according to any one of claims 1 to 6, which is disposed inside the fuel cladding tube.
Simulated fuel rods comprising:
複数の前記模擬ペレットは、第1模擬ペレットと、前記第1模擬ペレットよりも前記燃料被覆管の端部に配置され、前記外筒部の体積が前記第1模擬ペレットよりも大きい第2模擬ペレットと、を含む、
請求項7に記載の模擬燃料棒。 A plurality of the simulated pellets having the same outer shape are provided inside the fuel cladding tube,
A plurality of the simulated pellets and a second simulated pellet are disposed at the end of the fuel cladding tube than the first simulated pellet and the first simulated pellet, and the volume of the outer tube portion is larger than the first simulated pellet And including
The simulated fuel rod according to claim 7.
前記燃料被覆管の内側に配置され、核燃料ペレットを模擬する複数の模擬ペレットと、
を備え、
複数の前記模擬ペレットは、外形が等しく、第1材料及び第2材料の少なくとも一方で形成され、
前記第1材料は、前記第2材料よりも高剛性であり、
前記第2材料は、前記第1材料よりも高比重であり、
複数の前記模擬ペレットのうち、前記燃料被覆管の端部に配置される前記模擬ペレットにおいて前記第1材料が占める体積は、前記燃料被覆管の中央部に配置される前記模擬ペレットにおいて前記第1材料が占める体積よりも大きい、
模擬燃料棒。 Fuel cladding tube,
A plurality of simulated pellets disposed inside the fuel cladding and simulating nuclear fuel pellets;
Equipped with
The plurality of simulated pellets have the same outer shape, and are formed of at least one of the first material and the second material,
The first material is more rigid than the second material,
The second material has a higher specific gravity than the first material,
The volume occupied by the first material in the simulated pellet disposed at the end of the fuel cladding tube among the plurality of simulated pellets is the first volume of the simulated pellet disposed at the central portion of the fuel cladding tube. Greater than the volume occupied by the material,
Simulated fuel rods.
前記中央部に配置される前記模擬ペレットは、前記第2材料のみで形成される、
請求項9に記載の模擬燃料棒。 The simulated pellet disposed at the end is formed of only the first material,
The simulated pellet disposed in the central portion is formed of only the second material,
The simulated fuel rod according to claim 9.
前記燃料被覆管の内面と接触する外面を有し、前記第1材料で形成された外筒部と、
前記外筒部の内側に配置され、前記第2材料で形成された内芯部と、
を有する、
請求項9又は請求項10に記載の模擬燃料棒。 Among the plurality of simulated pellets, at least one of the simulated pellets is
An outer cylinder portion having an outer surface in contact with the inner surface of the fuel cladding tube and formed of the first material;
An inner core portion disposed inside the outer cylinder portion and formed of the second material;
Have
A simulated fuel rod according to claim 9 or 10.
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