KR101197530B1 - 방사성 오염 금속 폐기물의 화학적 제염방법 및 이를 이용한 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법 - Google Patents

방사성 오염 금속 폐기물의 화학적 제염방법 및 이를 이용한 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고농도 제염용액을 이용한 방사성 폐기물의 화학적 제염방법에 관한 것으로 상세하게는, 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 화학적 제염방법을 수행한 후 전기화학적 처리하는 것을 포함하는 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법을 제공한다. 본 발명에 따른 고농도 제염용액을 이용한 방사성 폐기물의 화학적 제염방법은 고농도 제염용액을 이용하여도 금속의 표면 변색이 일어나지 않아, 금속 폐기물의 재활용 및 자체처분 작업이 원활한 효과가 있으며, 제염 작업에서 발생되는 액체 폐기물 또한 전기화학적 처리를 통하여 금속 폐기물과 제염용액으로 재사용할 수 있으므로 발생되는 폐기물의 양과 이의 처리비용을 절감하고 재활용할 수 있다.

Description

방사성 오염 금속 폐기물의 화학적 제염방법 및 이를 이용한 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법{Method of chemical decontamination of radwaste and the method of recycle for radwaste and decontamination solution}
본 발명은 방사성 오염 금속 폐기물의 화학적 제염방법 및 이를 이용한 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법에 관한 것이다.
최근 국내에서는 핵연료물질 사용시설 또는 방사선관리구역이었던 시설 및 구조물을 일반시설로 전환하기 위한 환경복원사업이 완료 또는 추진 중에 있으며, 이로 인해 방사성 물질에 오염된 방사성 폐기물의 발생이 증가하고 있다. 또한, 미국을 중심으로 한 국외의 경우 원자력 관계시설의 제염해체가 신규 원전건설보다 더 큰 원자력 사업이 되고 있다. 국내의 경우에도 방사성 물질 사용시설에 대한 환경복원사업은 원자력 관계시설의 노후화, 일반화 시설로의 전환, 원자력관계시설 증설의 신규사업 추진 등으로 필요성이 점차 증가하고 있으며, 이로 인해 발생되는 방사성폐기물은 원자력관계법령에 의거하여 관리 및 처리되고 있다.
한편, 원자력 발전소에서는 장비들의 가동에 의한 방사성 오염이 일반적으로 발생한다. 원자력 발전소에서의 오염은 발전소의 각종설비 부품교환 등의 작업을 수행할 때 발생하며, 이러한 오염된 영역에 존재하는 부적절한 방사성 물질을 제거하는 작업을 제염이라고 한다. 상기와 같은 방사성 물질들의 제염은 필수적이며 이를 위한 적합한 방법을 적용하여 제염 효과를 극대화하고 제염과정에서 나오는 2차 폐기물의 발생을 최소화하여야 한다.
상기 방사성 물질은 원자력발전소 1차 계통내에서 생성되는데, 핵연료에서 방출된 핵분열생성물 및 중성자 조사에 의해 생성된 방사성 핵종과 계통내 부식생성물과 불순물이 중성자 조사에 의해 방사화되어 생성된 방사성 핵종이 주된 제염대상물질이다. 이렇게 발생한 방사성 물질은 정상상태에서는 발전소 1차 계통내에 흘러다니거나 관 또는 부품의 내벽에 붙어있다가 누출수나 정기 보수시에 공기 노출에 의해 외부로 유출되어 주위환경을 오염시킨다.
특히, 원자력 관련시설에서 사용되고 있는 설비나 장치(공구)들 중에는 방사능에 오염된 것들이 대부분이다. 이러한 설비나 장치(공구)에서 보수하여 재사용하거나 교체하여 폐기할 경우 방사성 오염제거가 필수적으로 요구된다.
이러한 방사성 물질에 의해 표면이 오염된 금속폐기물의 제염 공정으로는 일반적으로 물리적 제염, 화학적 제염, 전해 제염 등 여러 종류가 있으나, 대표적으로 산(acid) 용액을 사용하는 화학적 제염 공정이 많이 사용되고 있다.
화학적 제염 공정은 제염용액으로서 황산, 질산 또는 이의 혼합 용액 등을 사용하여 그 제염용액에 기기를 침수시켜 제염하는 것으로서, 곡관이나 밸브 등의 복잡한 형상물의 방사성 금속 폐기물에 대하여 효과적이다.
상기 화학적 제염 공정의 종래 기술로써 대한민국 공개특허 제10-2008-87041 호에서는 방사성 폐기물을 유기산을 환원제로 오존수를 산화제로 이용하되, 산화 보조제로써 인산 또는 인삼염을 사용하여 제염하는 제염법을 개시하고 있다.
또한, 미국 등록특허 제6,682,646호에서는 불화붕소산을 포함하는 제염용액을 사용하는 화학적 제염 방법 및 장치를 개시하고 있다.
그러나, 종래의 산(acid)으로만 구성된 혼합용액을 제염용액으로서 이용하여 방사성 물질로 오염된 금속을 제염할 경우, 금속 표면이 거칠게 깎이고 표면 형상이 불균일해져 금속의 재활용에 어려움이 따르는 문제가 있었다.
이에, 본 발명자들은 고농도 산성 제염용액에 중성염을 첨가하여 종래의 문제점을 해결할 수 있는 방사성 폐기물의 화학적 제염방법을 연구하던 중 제염용액을 용이하게 취급할 수 있고, 기존의 산 용액으로 제염할 때보다 우수한 제염 효율을 나타내며, 금속 표면이 매끄럽게 깎이고 금속 표면 형상이 균일해져 금속의 재활용이 용이하고 제염용액을 재활용할 수 있는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 방사성 오염 금속 폐기물의 화학적 제염방법 및 이를 이용한 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 화학적 제염방법을 수행한 후 전기화학적 처리하는 것을 포함하는 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법을 제공한다.
본 발명에 따른 고농도 제염용액을 이용한 방사성 폐기물의 화학적 제염방법은 고농도 제염용액을 이용하여도 금속의 표면 변색이 일어나지 않아, 금속 폐기물의 재활용 및 자체처분 작업이 원활한 효과가 있으며, 제염 작업에서 발생되는 액체 폐기물 또한 전기화학적 처리를 통하여 금속 폐기물과 제염용액으로 재사용할 수 있으므로 발생되는 폐기물의 양과 이의 처리비용을 절감하고 재활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 화학적 제염 방법에서 사용되는 화학 제염 장치를 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 화학적 제염 방법을 통한 금속 폐기물의 중량변화를 나타낸 그래프이고;
도 3은 본 발명에 따른 화학적 제염 방법을 통해 제염이 수행된 금속 폐기물을 나타낸 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법을 제공한다.
본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법에 있어서, 상기 방사성 오염 금속 폐기물은 원자력발전소 내의 증기발생기, 냉각재 펌프 등의 주요구성품이다. 상기 증기발생기, 냉각재 펌프 등의 주요구성품들은 원자력 발전소 가동 중 축적되는 방사성 오염물질로 인하여 구성품의 교체 시 방사성 물질에 피폭될 수 있는 문제가 있다. 본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법은 불화붕소산과 질산나트륨을 혼합한 제염용액을 사용함으로써, 종래의 강산 또는 중성염 단독으로 사용하는 것보다 제염효과가 향상되는 특징이 있어 상기 방사성 오염 금속 폐기물로부터 효율적으로 방사능을 제거할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법에 있어서 상기 불화붕소산의 농도는 0.5 내지 1.0 M인 것이 바람직하며, 상기 질산나트륨의 농도는 0.5 내지 2.0 M인 것이 바람직하다.
상기 불화붕소산 및 질산나트륨의 농도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 제염효율이 저하되거나 금속 폐기물의 표면이 산화될 수 있으며, 환경오염 방지를 위해 질산나트륨의 농도를 낮추는 비용이 소비되는 경제적 문제가 있다.
본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법에 있어서, 상기 제염용액의 순환은 80 내지 100 ℃의 온도에서 2 내지 3시간 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 제염용액의 순환이 상기 온도 및 시간의 범위를 벗어나는 경우에는 제염효율이 저하되거나 금속 폐기물의 표면이 변화되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법에서 사용되는 화학 제염 장치는 원자력 발전소에서 일반적으로 사용되는 화학 제염 장치를 사용할 수 있으며, 상기 화학 제염 장치의 일실시형태로는 대한민국 특허등록 제605558호에서 개시된 바와 같이, 초음파 발생장치가 내부에 설치되어 있으며, 제염제를 보관하기 위한 제염조; 상기 제염제의 온도를 조절하기 위한 전기히터; 필터; 술폰산을 작용기로 하는 강산형 양이온교환수지가 충진되어 있는 양이온수지탑; 4차 아민을 작용기로 가진 음이온교환수지가 양이온교환수지와 혼입되어 있는 혼상수지탑; 및 활성탄이 충진되어 있는 활성탄탑으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 상기 화학 제염 장치의 일례를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타낸 화학 제염 장치에 있어서, 상기 초음파 발생장치(12)는 제염제의 유동을 원활히 하고 제염대상물의 산화피막이 쉽게 제염제 내로 탈리되도록 하는 역할을 한다.
상기 전기히터(13)는 2개가 한조로 구성되어 작동되며, 1개의 전기히터는 제염제의 온도가 설정된 온도보다 2 ℃ 낮은 온도까지 승온되도록 하고, 상기 설정온도와 제염제의 온도차가 2 ℃이하가 되면 다른 1개의 전기히터에 의해 상기 제염제의 온도가 승온되도록 한다.
상기 필터(14)는 상, 하 2개가 장착되어 있으며, 상기 필터(14)의 교체는 필터의 전, 후단에 설치된 압력계의 차압이 0.15 mPa 이상일때 이루어진다.
상기 활성탄탑(18)에 충진된 활성탄은 비중이 0.40 ～ 0.45 g/㎤, 입경이 8～32 mesh, 강열잔사가 0.5% 이하인 활성탄이다.
한편, 도 1에 나타낸 화학 제염 장치를 일례로 사용하여 방사성 오염 금속 폐기물 표면을 제염하는 방법은 다음과 같다.
먼저, 제 18 밸브(48)를 열고 시편이 부착된 제염조에 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 약품주입펌프(11)를 이용하여 주입한 후 상기 제 18 밸브(48)를 닫는다.
다음으로, 제 1 밸브(31), 제 2 밸브(32), 제 11 밸브(41), 제 13 밸브(43), 제 15 밸브(45)를 연 후 순환펌프(20)와 초음파 발생장치(12)가 작동되도록 한다.
다음으로, 제 1 밸브(31)의 개도를 조정하여 유량을 30ℓ/min으로 조절하고 전기히터(13)에 의해 온도가 설정한 값에 갈 때까지 대기하며 필요시 제 16 밸브(46)를 열어 배기시킨다.
이후, 90 ℃의 온도하에서 약 2～3시간 동안 상기 제염용액을 순환시켜 금속 시편상의 방사성 오염 물질을 제염용액 내로 용리시킨다.
다음으로, 제 11 밸브(41)를 닫고 제 19 밸브(49)를 열어 상기 제염용액이 활성탄탑(18)을 순환하도록 하여 제염용액 내의 방사성 오염 물질을 제거함으로써 제염용액을 재사용할 수 있다.
본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법은 불화붕소산(HBF4)에 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 이용함으로써 기존의 산(acid)으로만 구성된 제염용액을 사용할 때보다 작업자의 독성 화학물질 취급에 기인하는 각종의 위험성을 없애고 취급이 용이한 장점이 있다.
고농도의 강산을 단독으로 사용하는 경우 방사성 오염 금속 폐기물 모재가 산에 의해 부식되는 문제가 있으나, 본 발명에 따른 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법은 고농도의 불화붕소산(HBF4)에 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 이용함으로써, 종래의 방사성 오염 금속 폐기물 모재 표면이 부식되는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 고가의 재질로 이루어진 원자력발전소 내의 증기발생기, 냉각재 펌프 등의 주요구성품의 제염에 유용하게 쓰일 수 있으며, 폐기물 발생량이 적어 원전 계통 제염시 방사성 폐기물 발생에 따른 방사성 폐기물 처리의 부담을 획기적으로 줄일 수 있다.
본 발명은 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 화학적 제염방법을 수행한 후 전기화학적 처리하는 것을 포함하는 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법을 제공한다. 본 발명에 따른 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법은 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입한 후 불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하여 상기 제염용액을 순환시키는 화학적 제염방법을 수행한 후 전기화학적 처리함으로써 방사성 오염 금속 폐기물의 표면을 매끄럽게 할 수 있으며, 표면 형상이 균일해지는 등 방사성 오염 금속 폐기물 모재 손상의 우려가 없기 때문에 금속의 재활용이 용이하다. 이때, 상기 전기화학적 처리는 백금 또는 백금화합물 양극과 철, 동과 같은 도전체 금속재질의 음극을 포함하는 전기화학장치에 의해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법은 종래의 제염방법을 이용하는 경우 폐기되었을 방사성 오염 금속 폐기물을 재활용할 수 있으며, 또한 사용한 제염용액을 재활용할 수 있어 비용 절감 및 액체 폐기물을 절감시킬 수 있다.
이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시할 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 강산/중성염 혼합 제염용액를 통한 금속 폐기물 제염
시편으로는 산화된 SUS 304를 이용하였으며, 제염용액으로는 불화붕소산(HBF4) 0.5M과 질산나트륨(NaNO3) 0.5M을 혼합한 혼합 용액을 사용하였다. 제염용액과 시편의 균일한 반응을 촉진하기 위해 항온 교반조를 사용하였다. 상기 불화붕소산(HBF4) 0.5M과 질산나트륨(NaNO3) 0.5M을 혼합한 혼합 용액 100 mL를 분취하여 플라스틱 병에 넣었으며, 혼합 용액이 섞여서 반응하는지 확인하고, 용액의 변화가 없는 것을 확인한 후, 상기 플라스틱 병에 사전에 무게를 측정해둔 시편을 투입하였다. 상기 제염용액, 시편이 들어있는 플라스틱 병을 항온 교반조에 넣고, 온도는 90 ℃로 설정한 뒤, 교반 속도는 60 ~ 120 rpm의 범위로 적절히 조정하여 설정하였다. 2 시간이 경과한 후 시편과 제염용액를 분리하여 금속 폐기물 제염을 수행하였다.
<실시예 2> 금속 폐기물과 제염용액의 재활용
상기 실시예 1의 제염이 수행된 후 금속 폐기물과 제염용액을 분리하고 백금양극 및 도전체 음극을 통한 전기화학적 방법으로 전압 및 전류를 조절하여 금속 폐기물과 재염용액을 재활용하였다.
<비교예 1> 강산 제염용액을 통한 금속 폐기물 제염
본 발명에 따른 실시예 1에서 불화붕소산(HBF4) 0.5M을 제염용액으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제염을 수행하였다.
<비교예 2> 강산/중성염 혼합 제염용액를 통한 금속 폐기물 제염 2
본 발명에 따른 실시예 1에서 불화붕소산(HBF4) 0.01M, 질산나트륨(NaNO3) 0.01M을 혼합한 혼합액을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제염을 수행하였다.
<비교예 3> 강산 제염용액을 통한 금속 폐기물 제염 2
본 발명에 따른 실시예 1에서 불화붕소산(HBF4) 0.01M을 제염용액으로 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 제염을 수행하였다.
<실험예 1> 제염용액에 따른 제염 효과 측정
본 발명에 따른 제염용액의 제염 효과를 측정하기 위하여 실시예 1 및 비교예 1 내지 3을 통해 제염이 수행된 금속 폐기물 시편의 무게변화를 측정하였고, 결과를 표 1 및 도 2, 도 3에 나타내었다.
표 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1을 통하여 제염이 수행된 금속 폐기물 시편은 약 0.1 g의 무게 변화가 있는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1 내지 3을 통하여 제염이 수행된 금속 폐기물 시편은 무게 변화가 최대 0.0222 g의 무게변화만이 나타나 제염효과가 미흡한 것을 알 수 있다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1을 통하여 제염이 수행된 금속 폐기물 시편은 표면이 매끄러우며, 형상 또한 균일하게 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 하지만, 비교예 1을 통하여 제염이 수행된 금속 폐기물 시편은 표면이 부식되어 있는 것을 알 수 있다.
이를 통하여, 본 발명에 따른 화학적 제염 방법이 우수한 제염효과를 나타내는 것을 확인하였으며, 중성염을 포함하는 제염용액을 사용함으로써 고농도 강산을 사용하여도 금속 폐기물에 부식이 발생하지 않아 재활용할 수 있는 효과가 있음을 확인하였다.
초기 무게 (g) 제염 후 무게 (g)
실시예 1 4.6532 4.5548
비교예 1 4.6403 4.6181
비교예 2 4.6510 4.6500
비교예 3 4.6266 4.6260
10 : 제염조 11 : 약품주입펌프
12 : 초음파발생장치 13 : 전기히터
14 : 필터 15 : 배기구
16 : 양이온수지탑 17 : 음이온수지탑
18 : 활성탄탑 19 : 유량계
20 : 순환펌프 21 : 드레인
22 : 시료채취공 23 : 바스켓
31 : 제 1 밸브 32 : 제 2 밸브
33 : 제 3 밸브 34 : 제 4 밸브
35 : 제 5 밸브 36 : 제 6 밸브
37 : 제 7 밸브 38 : 제 8 밸브
39 : 제 9 밸브 40 : 제 10 밸브
41 : 제 11 밸브 42 : 제 12 밸브
43 : 제 13 밸브 44 : 제 14 밸브
45 : 제 15 밸브 46 : 제 16 밸브
47 : 제 17 밸브 48 : 제 18 밸브
49 : 제 19 밸브

Claims (8)

  1. 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입하는 단계;
    불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하는 단계;
    상기 제염용액을 순환시키는 단계를 포함하며,
    상기 제염용액 내의 불화붕소산의 농도는 0.5 내지 1.0 M이고, 질산나트륨의 농도는 0.5 내지 2.0 M인 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방사성 오염 금속 폐기물은 원자력발전소 내의 증기발생기 또는 냉각재 펌프인 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 불화붕소산은 0.5 M의 농도로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 질산나트륨은 0.5 M의 농도로 혼합되는 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제염용액은 80 내지 100 ℃의 온도에서 2 내지 3 시간 동안 순환되는 것을 특징으로 하는 방사성 오염 금속 폐기물 표면의 화학적 제염 방법.
  6. 화학 제염 장치 내 제염조에 방사성 오염 금속 폐기물을 투입하는 단계;
    불화붕소산(HBF4)과 질산나트륨(NaNO3)을 혼합한 제염용액을 첨가하는 단계;
    상기 제염용액을 순환시킨 후 전기화학적 처리하는 단계를 포함하며,
    상기 제염용액 내의 불화붕소산의 농도는 0.5 내지 1.0 M이고, 질산나트륨의 농도는 0.5 내지 2.0 M인 것을 특징으로 하는 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 방사성 오염 금속 폐기물은 원자력발전소 내의 증기발생기 또는 냉각재 펌프인 것을 특징으로 하는 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제염용액은 80 내지 100 ℃의 온도에서 2 내지 3시간 동안 순환되는 것을 특징으로 하는 금속 폐기물과 제염용액의 재활용방법.
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