KR100273170B1 - 원자로제어봉구동장치내의 전자기권선을 이용한 제어봉낙하 시간측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소 원자로내의 제어봉낙하시간 측정에 있어서, 종래의 제어봉위치검출코일 유도기전력 신호이용 측정방법의 문제점인 원자로 격납건물내로 측정요원 투입에 의한 방사능등 부적합한 환경 노출, 과다한 시간 및 인력소요, 고유의 제어봉위치지시 기능 상실 등을 해결하기 위해, 제어봉구동장치 내부에 설치된 전자기 권선들의 코일성분만 남도록 한후 자성체인 제어봉구동축이 원자로 내부로 낙하하면서 이들 권선을 통과 할 때 각각의 권선에 유도되는 기전력을 측정하고 이들 신호로부터 제어봉낙하시간을 분석할 수 있도록 한 것이다.

Description

원자로제어봉구동장치내의 전자기권선을 이용한 제어봉낙하시간측정방법

본 발명은 원자력 발전소 원자로내의 제어봉낙하시간을 효과적으로 측정하기 위한 것으로써, 자성체인 제어봉구동축이 원자로 내부의 핵연료 다발 속으로 낙하하면서 제어봉구동장치내의 전자기 코일을 통과 할 때 유도되는 기전력으로부터 제어봉낙하시간을 측정할 수 있도록한 원자로 제어봉구동장치내의 전자기권선을 이용한 제어봉 낙하시간 측정방법에 관한 것이다.

원자로 출력제어는 원자로내 제어봉다발의 인출 또는 삽입에 의하여 이루어지며 원자로 정지가 필요할 때에는 인출되었던 제어봉을 낙하시켜 완전삽입한 다음 원자로내 반응을 정지시킨다.

원자로 안전운전과 정지에 관련된 제어봉 낙하시간 측정은 원자력 안전규제에 명시된 절차(procedures)에 따라, 원자로 임계 직전에 제어봉들의 완전 인출 위치에서 자유 낙하시켜 원자로 노심 하부에 위치한 제동호(dashpot)입구 까지 소요되는 시간이 제한치 3.3초 이내임을 입증하는 시험이다. 따라서, 원자로 제어계통의 제어봉 낙하시간측정은 비상정지시 원자로 정지 명령에 따른 제어봉의 낙하 속응성이 제한치 이내에 있는지 점검하는 것으로 원자로 안전운전 및 정지에 대한 사전 확인 절차 중의 하나로서 중요한 작업이다.

제4도는 제어봉낙하시험과 관련된 종래의 구조로써 원자로와 제어봉 위치검출코일에서 발생되는 유도기전력 신호를 이용하는 제어봉 낙하시간 측정방법을 개략적으로 도시한 것이다. 이에 따라 먼저 제어봉 위치지시계통의 기능을 간략히 설명하고 위치검출코일을 이용한 종래의 측정방법에 대해 기술한다.

제어봉다발(160)은 제어봉구동축(160′)과 연결되어있고 제어봉구동축에는 정지걸쇠(140)의 작동에 의해 인출/삽입 및 정지가 가능하도록 홈이 만들어져 있다. 정상 운전시 제어봉의 위치를 검출하기 위해 제어봉구동축(160′)이 움직이는 경로에는 등간격으로 위치검출코일(130′)이 배열되어 있다. 이들 코일은 다중화를 위하여 2개의 그룹으로 나뉘고 그룹마다 독립된 전원이 검출코일들에 공급되어져, 자성체 재질인 제어봉구동축(160′)이 검출코일, 즉 위치검출코일(130′)속을 이동할 때마다 생기는 전압강하를 검출하여 위치를 산출한다.

제어봉낙하시간을 측정하기 위해서는 먼저, 원자로(A′)로 노심 핵연료다발에서 제어봉을 완전인출 시킨다. 즉, 제어봉구동축(160′)의 관점에서 보면 제어봉구동축 상단 끝부분은 최상단에 위치한 위치검출코일 속에 놓이게 된다. 위치검출코일에 공급되는 전원을 모두 차단하여 위치검출코일 성분만 남도록 한다. 제어봉을 낙하시키기 위하여 제어봉구동축을 파지하고 있는 제어봉구동장치내의 정지권선의 정지걸쇠(140)가 풀리도록 정지권선의 전원을 차단시킴으로써 중력에 의한 제어봉 낙하가 발생토록 한다. 이때 위치검출코일 속을 강자성체인 제어봉구동축이 통과함으로써 발생되는 자속의 시간변화율에 비례하여 유도되는 전압을 데이터케비넷의 각 그룹단자를 거쳐 배전반(C′) 건물내 제어봉전원함(power cabinet)의 제공된 단자에 연결되어진 전압측정기록계(150)를 사용하여 시간에 따른 전압의 궤적을 기록한다.

제5도는 종래의 기술에 의한 전압궤적의 일례로써 정지권선 전원상실 시점(b′)부터 제어봉이 원자로 노심내부(B′)의 하부 구조물인 제동호(dashpot) 입구에 도달할때(d′)까지의 시간을 기록된 궤적으로부터 산출함으로써 제어봉 낙하시간(g′)을 검출하게 된다.

이와 같은 종래의 제어봉 위치지시용 검출기코일 유도신호 이용 제어봉 낙하시간 측정방법에는 이상과 같은 절차를 따르므로 유도기전력을 검출하는데 있어 원자로 격납건물 내와 배전반 두 곳에 인력을 투입하므로 준비, 측정, 정리 등에 필요한 시간 및 인력이 많이 소요되고, 측정하는 동안 시험요원들의 원자로 격납건물내 체류로 인하여 방사선, 압력, 소음, 온도등 부적절한 환경에 노출되며 측정된 유도기전력 궤적으로부터 전압이 급격히 감소하는 지점을 찾아 낙하 시작점부터 이 지점까지를 낙하시간으로 기록하여야 하나 측정결과에 있어서 검출코일들의 인덕턴스에 의하여 명확한 전압감소 지점을 찾기란 쉽지 않고 이에 따라 낙하시간 산출에 오차가 개입하게 되며, 제어봉 낙하시 위치검출코일에 유기 되는 기전력을 측정하기 위해 제어봉 위치검출계통의 전원을 차단하기 때문에 낙하시간 측정 중에는 배전반내의 제어봉 위치지시가 전혀 안된다. 또한, 원자로 격납건물내의 HVAC, 펌프류 등이 운전되고 있어 소음으로 인한 시험요원간 인터폰 사용중 의사 전달의 잘못으로 재시험 또는 시험의 지연의 경우가 빈발하고, 제어봉 위치 검출 코일에 유기 되는 기전력의 크기가 최대 50mV 정도로 작기 때문에 측정된 신호에는 상대적으로 큰 노이즈 성분이 포함되어 있어 이를 필터링할 때 시간 지연 요소의 개입으로 인한 정확한 시간측정을 방해하는 오차개입 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위하여 측정절차가 간편하고 시험요원들의 작업환경 개선효과와 함께 제동호입구까지 걸리는 동일한 제어봉낙하시간 측정을 하는데 있다. 즉, 제어봉구동장치내에 설치되어있는 각 권선, 즉 올림권선, 또는 이동권선, 또는 정지권선 중 택일하여 선택된 권선에 유도되는 유도기전력 신호를 이용하여 제어봉작하시간을 측정하는 방법 제공을 목적으로 한다.

그 근본적인 물리적 측정원리는, 제어봉 낙하시 강자성체인 제어봉구동축이 제어봉 위치검출코일 하우징 내부를 관통하는 동안 자속변화에 따른 위치검출코일에 유도기전력이 유도되는 것처럼, 제어봉위치검출코일 하우징 하부에 연결되어 있는 제어봉 구동장치내를 제어봉구동축이 낙하하므로써 제어봉구동장치 내부에 설치되어 있는 올림권선, 이동권선, 정지권선에 기전력이 유도되기에 이 유도 기전력을 이용하여 제어봉낙하시간을 측정하는 것이다.

제1도는 제어봉구동장치내에서 각 권선을 이용하여 제어봉낙하시간과 관련된 유도기전력을 측정하는 본 발명의 측정방법예도.

제2도는 본 발명의 방법을 이용하여 측정된 유도기전력에 대한 결과의 일례로써 제어봉낙하시간의 해석과 그와 관련된 분석도표.

제3도는 제어봉낙하시간 관련신호를 명확히 볼 수 있도록 전압범위를 0∼0.6V로 도시한 제2도의 확대도.

제4도는 제어봉 구동장치에서 그 상부에 위치한 제어봉 위치검출코일에 유도되는 기전력을 측정하는 종래의 측정방법을 나타낸 구성.

제5도는 종래의 제어봉위치검출코일 유도기전력이용방법에 의한 결과의 일예로 제어봉낙하시간의 해석관련도표.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(a) : 정기권선의 자기유도(self - induction)에 의한 낙하초기 최소전압부분

(b) : 제어봉 낙하개시점

(c) : 정기권선의 자기유도의 영향이 사라진 점

(d) : 제어봉의 제동호 진입 시점

(e) : 제어봉낙하방향이 전환되는 시점

(f) : 제동호 하단부에서 제어봉자체의 탄성에 의한 진동감쇄 부분

(g) : 낙하개시후 제어봉의 제동호 입구까지의 측정하고자 하는 제어봉낙하시간

이하 본 고안에 따른 원자로 제어봉 구동장치내의 전자기 권선을 이용한 제어봉 낙하시간 측정방법에 대하여 첨부 도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다. 본 고안의 원자로 제어봉구동 장치내의 전자기 권선을 이용한 제어봉 낙하시간측정방법은 제1도에 도시된 바와같이 원자로 제어봉 구동장치내에 설치된 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12)중 어느 한 권선에 유도되는 기전력을 측정하여 제어봉 낙하시간을 측정하는 것인데, 제어봉구동장치의 제작자 또는 종류마다 권선의 명칭이나 개수는 다를 수 있으나 본 발명의 방법은 제어봉구동장치내에 설치된 권선에 전력공급을 차단하고 강자성체인 제어봉 구동축이 이 상기 권선내를 낙하할 때 권선에 유도되는 유도기전력을 측정하고 그 유도기전력 궤적으로부터 제어봉낙하시간을 분석하는 것이다. 왜냐하면 제어봉 구동축(17)의 하단부에 연이어 제어봉(16)이 형성되어 있기 때문에 제어봉 구동축(17)의 하강 시간을 측정하면 제어봉(16)의 낙하시간을 측정하게 되는 것이기 때문이다.

본 발명은 제1도에서와 같이 제어봉 구동장치내에 설치되어있는 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12) 은 각각 별개의 코일로 구성되어 있다. 이와 같은 제어봉 구동장치내에 설치된 권선들의 본질적인 기능은 정상운전시 원자로 출력제어를 목적으로 제어봉을 인출 또는 삽입을 위한 명령을 내리면, 각 권선 들을 주어진 순서에 따라 여기시켜 부속장치들이 기계적 운동을 하도록 하여 제어봉 구동축(17)에 파인 홈을 따라서 들어올리고 내리는 과정을 수행토록 되어있다.

그런데 본 발명에 있어서 상기 권선들(10, 11, 13)은 상기 본질적 기능이외에 부가하여 제어봉의 인출, 삽입 목적으로 설계된 제어봉구동장치의 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12) 들이 제어봉 낙하시험에 이용할 수 있도록 하기 위하여 제어봉낙하시간 측정전 각 권선(10, 11, 13)의 전후 단에 설치된 휴즈를 제거하여 각 권선에 연결된 전기적 회로로부터 분리시키므로서 각 권선들의 순수코일 성분만이 남도록 한 다음 즉 각 권선에 공급된 전력을 차단하여 전기가 공급되지 않게 한 후 권선내를 강자성체의 제어봉구동축(17)을 낙하시키어 이들 권선(10, 11, 13)에 유도되는 기전력을 측정한 후 제어봉낙하시간을 산출하도록 하는 것이다.

이와같은 과정을 통해 제어봉구동축(17)이 낙하하는 동안 제어봉구동장치내 권선(10, 11, 13)들에 유도되는 기전력 발생과정을 살펴보면 다음과 같다. 제어봉구동축(17) 낙하 시간 측정을 위하여 모든 제어봉을 최대한 인출하고 이동권선(10) 하부에 위치한 정지권선(12)에 전류를 흘려 정지걸쇠(14)가 작동하여 제어봉이 정지걸쇠(14)에 걸리어 정지하도록 한다. 제어봉 낙하를 유발하기 위하여 정지권선(12)에 흐르는 전류를 차단하기 위하여 정지권선(12)에 부착된 휴즈를 인출하거나 전원공급원을 차단시킬 수 있는 차단기를 작동하므로서 달성한다. 따라서 정지걸쇠(14)의 걸림이 풀리게되고 제어봉은 낙하를 시작한다. 이때 휴즈인출 직전, 즉 정지권선(17)에 공급되는 전력을 차단하기 직전에 정지권선에 흐르던 전류를 Ι₀라 하면 휴즈인출 후 즉 전력공급을 차단한 후 정지권선(17)에 흐르는 전류 Ι₀는 즉각 0 으로 되지 않고 정지권선의 자기유도(self - induction)에 의하여 감소되는 반대방향으로 전류를 흘리므로 흐르는 전류는 지수 함수적으로 감소하게 된다. 따라서 정지권선(12) 회로내 에서 전류가 시간에 따라 변하게 되므로 이에 따른 자속변화가 발생한다. 이 자속변화는 강자성체인 제어봉 구동축을 통하여 상부에 위치한 이동권선(10)이나 올림권선(11)에 영향을 미치게 되고 이때 생기는 유도기전력이 올림권선(11), 이동권선(10)과 정지권선(12)에 각각 나타나게 된다. 이 유도 기전력을 V_self라 하자. 위의 V_self와는 별도로, 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12) 속을 통과하는 제어봉구동축(17) 낙하운동에 의한 자속변화율이 발생하여 각 권선들(10, 11, 13)에 유도기전력을 유발시킨다. 제어봉구동축(17) 낙하운동 자체에 의한 유도기전력을 이동권선(10), 올림권선(11), 정지권선(12)에 대해 각각 V_Mov,V_{Lift ,}V_Stat라 하면 제어봉낙하에 의한 이들 권선내의 총유도기전력은 다음과 같다.

여기서 각 등가회로 방정식에서 권선 인덕턴스 L 과 저항 R의 아래첨자는 각각(lift)은 올림권선(11)을, (mov)은 이동권선(10)을, (stat)은 정지권선을 지칭한다. 또한 α, β, γ는 정지권선(12)과 각 권선(10, 11, 13)들 사이의 거리에 반비례하는 상수이다. 따라서 이들 등가회로 방정식의 해는 각기 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12) 양단에서 측정되는 유도전압이며 측정된 전압의 시간궤적으로부터 제어봉낙하시간을 산출한다. 이상에서 상술한 본 고안에 따른 원자로 제어봉구동장치내의 전자기 권선을 이용한 제어봉 낙하 시간측정방법의 구체적 실시예를 제1도에 의하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 제1도에서 미설명 부호(A)는 원자로, (B)는 원자로노심내부, (C)는 배전반을 나타낸다. 먼저, 이동권선(10)에 유도되는 기전력을 이용한 제어봉낙하시간측정방법을 설명하는데, 본 명세서에서는 올림권선(11), 정지권선(12)에 대해서도 동일한 측정절차가 적용되므로 그 기재를 생략한다. 시험하고자 하는 제어봉을 선택하고 그 제어봉을 완전 인출한다. 이동권선(10)에 공급되는 전원을 차단하기 위해 이동권선(10) 전, 후단의 퓨즈를 인출하여 이동권선(10)에 전류공급을 차단하고, 휴즈홀더 양쪽단자에 유도기전력을 측정할 수 있도록 기록계 혹은 데이터 취득장치(15)를 연결한다. 정지권선(12)의 휴즈제거 또는 원자로 정지 차단기 개방하여 정지권선(12)에 흐르던 전류를 차단함으로써 정지걸쇠(14)는 풀리게되고 제어봉구동축(17)은 낙하를 시작한다. 이때 제어봉 구동축(17)이 강자성체이므로 제어봉 구동축(17)의 이동에 따라 자속변화가 발생되어 이동권선(10)에 유도 전류가 발생되기에 이동권선(10) 양쪽 단자로 부터 유도 기전력이 검출되고 검출되는 유도기전력을 시간축(time axis)위에 기록한다.

본 발명에 의한 제어봉(16) 낙하시간측정 데이터에 대한 해석은 다음과 같다. 제2도는 제어봉이 최대인출위치로 부터 낙하할 때의 시간에 대한 이동권선(10) 유도기전력의 전압신호이다. 제어봉 낙하개시점(b) 직후 낙하 초기에는 V_self에 의한 유도전압이 주도하고 크기가 크므로(12V정도) 실제로 측정하려고 하는 제어봉 낙하시간 관련 신호는 V_self의 영향이 줄어든 후 나타나므로 제어봉(16) 낙하관련 신호를 명확히 파악하기 위하여 제3도에 그래프의 전압범위를 확대하여 도시하였다. x 축은 시간이고 y 축은 유도된 전압이다. 제2도에서 볼 수 있듯이 이동권선(10)신호는 제어봉낙하개시점(b) 직후 급격한 전압이 유도되어지고 감소한다. 이것은 제어봉(16) 낙하 개시를 위한 정지권선(12)의 차단된 전류 (보통4.4 Ampere)가 자기유도(self - induction) 작용에 의하여 정지권선(12)의 시상수(time constant, t=L/R)동안은 이동권선(10)유도전압에 큰 영향을 주기 때문이다. 참고로 제2도에서 낙하초기의 최소전압부분(a)은 기록계의 전압측정범위 제한 때문에 5.1V로 나타났으나 실제전압은 12V 이고 전체적인 이동권선(10) 유도전압신호의 부호는 음(-)인데 이것은 기록계 측정의 극성 때문이고 극성을 전환하면 양(+)으로 변환할 수 있고 극성은 시험자들의 편의에 따라 변경할 수 있다. 따라서 극성을 양(+)으로 변환하였을 경우는 아래의 설명에서 최대, 최소, 음(-), 양(+)의 의미는 서로 바뀌게 된다.

처음단계에서는 정지권선(12)에 의한 자속의 변화에 따라 유도전압성분이 우세하게 나타나다가 현격히 줄어들고 유도전압 최대점인 자기유도영향이 사라진 점(c)이후 순수 제어봉(16)낙하와 관련된 이동권선(10) 자체의 유도전압 신호성분이 증가하기 시작한다. 제어봉(16)이 자유낙하하다가, 즉 제어봉구동축(17)이 하강함에 따라 원자로 핵연료의 하단부분인 제어봉구동축(17)이 하강함에 따라 제동호입구에 진입하는 순간 제어봉(16)의 하강 속도는 급격히 감속하므로 이동권선(10)의 유도 기전력 신호에서 기울기의 부호가 바뀌는 변곡점(d)이 생기는데, 제어봉(16)의 제동호진입시점(d)의 형태로 나타나게 된다. 따라서, 제어봉의 제동호진입시전(변곡점)(d)이 제어봉(16) 낙하시간 측정의 기준시점이 된다. 여기서 변곡점이 생기는 이유를 설명하면, 제어봉구동축(17)낙하하며 낙하속도가 증가하므로 이에따른 유도기전력도 증가하다가 재동호 입구에서는 제어봉구동축(17)의 낙하속도가 급격히 감속하므로 이에 따른 가속도의 방향전환이 유도전력에서 변곡점의 형태로 나타나게 된다. 변곡점(d)을 지난 이후 제어봉(16) 낙하의 방향이 전환되는 전환점(turn-around)이라 불리는 점에서 이동권선(10) 전압신호는 기울기가 부호의 변화없이 0로 변하였다가 다시 제어봉(16) 낙하방향이 동일 방향의 기울기로 전환되는 시점(e)이 나타난다. 이 전환점(e)은 제동호 하단부에 진입하여 제어봉(16)이 완전 삽입 되었음을 나타내며 이후 제어봉 자체의 충격완화 탄성스프링에 의한 감쇄진동부분이 전압신호에서 진동형태, 즉 제동호 하단부에서 제어봉자체의 의한 진동감쇄부분(f)으로 나타난다. 결론적으로 제어봉낙하시간은 낙하개시시점(b)부터 낙하초기 최소전압부분(a)이 경과하여 정지권선의 자기유도(self-induction)의 영향이 그 사라진 점(c)이후에, 기울기의 부호가 변하는 첫 번째 변곡점인 제어봉(16)의 제동호 진입시점 즉 변곡점(d)까지가 측정하려는 제어봉 낙하시간(g)이 되기에 이같은 방법으로 제어봉 낙하시간(g)를 측정하는 것이다.

올림권선(11)과 정지권선(12)을 이용한 측정에서도 이동권선(10)과 같은 결과가 나타나며, 다만 등가회로 방정식에 표현된 α, β, γ의 값에 따라 낙하 초기의 V_self에 영향에 의한 최소치의 크기만 달라진다. 제어봉낙하시간 측정과는 무관한 전압이므로 이 영향이 사라진 후의 전압 궤적을 통해 제어봉낙하시간을 분석한다.

제어봉구동장치내 전자기 권선이용 측정방법은 근원적으로 원자로 격납용기 내에 체류할 필요가 전혀 없다. 따라서, 시험자들의 작업환경이 개선되어 고방사능, 고온, 고압, 고소음의 열악한 환경에 노출될 필요가 없다. 또한, 측정절차 자체의 간편성으로 인해 시험준비, 시험수행, 정리, 등 소요되는 총 인원절약과 시간감소의 효과를 나타내는 작업효율향상을 가져오며 이는 원자력발전소 정비기간 단축을 의미하므로 발전소 경영성과 측면이나 경제성 측면 효과에서도 중요하다.

낙하시간측정 중에 제어봉위치지시계통의 위치검출코일들을 이용할 필요가 없으므로 제어봉위치지시기계통의 전원을 차단할 필요가 없으며, 따라서 낙하중 또는 낙하 후에도 제어봉의 위치를 확인 할 수 있는 고유의 위치지시 기능을 되살릴 수 있다. 참고로 원자력 안전규제 측면에서 보면 제어봉위치지시계통의 기능을 사용한 제어봉의 완전한 삽입의 확인은 제어봉의 낙하에 대한 건전성확인이라는 중요한 자료를 제공 할 수 있다. 이동권선이나 올림권선 또는 정지권선 으로부터 유도되는 기전력의 크기는 종래 방법에 의해 취득된 전압의 크기인 mV 단위보다 큰 V 단위이므로 더 명확하며 전압신호에 포함된 노이즈 성분도 작다.

또한 측정된 유도전압 궤적으로부터 기울기의 부호가 변하는 변곡점을 찾는 것이 종래의 방법에서 전압이 급격히 감소하는 지점을 찾는 것보다 쉽게 정확한 낙하시간을 결정할 수 있다.

Claims (2)

1. 원자력발전소 원자로내의 제어봉(16)낙하시간 측정에 있어서, 제어봉 구동장치 내부에 설치된 전자기 권선들인 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12)의 각각의 권선 양끝단에 연결된 퓨즈를 제거하여 전기공급을 차단한 후 자성체인 제어봉구동축(17)이 원자로 내부로 낙하하면서 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12)을 통과 할 때 어느 하나의 권선에 유도되는 기전력의 시간궤적 으로부터 제어봉낙하시간(g)을 측정하도록 함을 특징으로 원자로제어봉구동장치내의 전자기 권선을 이용한 제어봉낙하시간 측정방법.
2. 제1항에 있어서, 유도기전력의 시간궤적은 제어봉(16) 낙하시 전기공급이 차단된 올림권선(11), 이동권선(10), 정지권선(12) 각각에 유도되는 유도전류의 유도기전력 대비 시간 측정 데이타를 사용하여 제어봉(16) 낙하개시시점(b)부터 낙하초기 최소 전압부분(a)이 경과하여 정지권선(12)의 자기유도(self-induction)의 영향이 사라진 점(c)을 경과하여 제어봉의 제동호 진입시점으로 기울기 부호가 변하는 첫번째 변곡점(d)인 까지를 제어봉낙하시간(g)으로 해석하여됨을 특징으로 하는 원자로제어봉구동장치내의 전자기권선을 이용한 제어봉 낙하시간 측정방법.

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