KR101641122B1 - 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중심에 배치되는 중심봉(10); 중심봉(10)을 둘러싸는 6개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 내부환(20); 내부환(20)을 둘러싸는 12개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 중간환(30); 및 중간환(30)을 둘러싸는 18개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 외곽환(40);을 포함하고, 각 환의 인접한 상기 핵연료봉(FR)들간의 최소 이격거리는 1.8mm이고, 중간환(30)의 핵연료봉(FR)과 이웃한 외곽환(40)의 핵연료봉(FR) 간의 접촉을 방지하기 위한 스페이스에 의한 최소 높이는 0.64mm이며, 중심봉(10)의 중심으로부터 중간환(30)의 반경은 가변되고, 중심봉(10)으로부터 중간환(30)까지의 기준반경(D1)과 중간환의 최대 가변반경(D2)과의 비는 1 : 1.0174인 것을 특징으로 한다.
즉 본 발명은 중수로 핵연료다발의 중심봉 주변에서 발생되는 임계열유속 향상을 위해 내부환의 유로 단면적 증가시키게 되는 경우, 이에 대응하여 중간환의 직경 변화를 통하여 임계열유속을 더욱 향상시킬 뿐만 아니라, 핵연료봉의 위치 구조만을 미소 변경하여 임계열유속을 향상시키게 되므로 유로 전체 단면적 변화가 없어 기존 원자로의 안전성을 그대로 유지하거나, 또는 보다 향상시킬 수 있는 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조를 제안하고자 한다.

Description

중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조{FUEL ROD LAYOUT FOR CANDU FUEL BUNDLE}

기존의 중수로 핵연료다발의 중심봉 주변에서 발생되는 임계열유속 향상을 위해 내부환의 유로 단면적을 증가시키게 되는데, 이렇게 내부환만을 증가시키게 되는 경우 내부환 주변의 핵연료봉들 간의 간격 축소로 내부환의 직경을 증가시키는 데에 한계가 있다. 따라서 본 발명에서는 내부환의 직경이 증가되는 경우(또는 내부환의 직경 변화가 없는 경우 포함) 중간환의 직경이 가변되도록 구성하여 중심봉으로부터 발생된 임계열유속이 주변으로 전이되도록 함으로써 최대 열적여유도를 증대시킬 수 있는 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조에 관한 것이다.

일반적으로 열전달 기기에서 가열면의 온도나 압력 또는 유량 등 냉각수의 유동조건이 갑자기 변하는 경우 가열면은 냉각수의 액막이 파괴되어 액체가 아닌 기체에 노출되면서 열전달 효율이 급격히 저하되어 가열면의 온도가 상승하는 드라이아웃(dryout) 현상을 발생시켜 가열면의 손상이 발생되는 문제가 있었다.

이러한 문제는 중수로를 이용한 원자력발전 시에도 발생될 수 있으므로, 가열면인 핵연료봉의 출력을 낮추거나 냉각수의 유량을 증가시키는 등의 방법으로 해결할 수 있다.

그러나 핵연료봉의 출력을 낮추는 경우, 핵연료봉의 온도를 낮춰 드라이 아웃현상을 발생시키지 않는다는 점에서는 효과적일 수 있으나, 원자력발전소의 발전량이 감소되는 문제가 있으며, 냉각수의 유량을 증가시키는 경우 별도의 추가적인 냉각수를 필요로 하며, 냉각수를 순환시키기 위한 별도의 장치, 에너지 등이 추가로 필요한 문제가 있다.

따라서 핵연료봉의 온도를 유지 또는 상승시키며, 냉각수의 유량을 증가시키지 않도록 하는 기술적 요구가 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2011-0064650

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

중수로 핵연료다발의 중심봉 주변에서 발생되는 임계열유속 향상을 위해 내부환의 유로 단면적 증가시키게 되는 경우(또는 내부환의 직경 변화가 없는 경우), 이에 대응하여 중간환의 직경 변화를 통하여 임계열유속을 더욱 향상시킬 뿐만 아니라, 핵연료봉의 위치 구조만을 미소 변경하여 임계열유속을 향상시키게 되므로 유로 전체 단면적 변화가 없어 기존 원자로의 안전성을 그대로 유지하거나, 또는 보다 향상시키고자 하는 것을 하나의 목적으로 한다.

또한 본 발명은 중심봉으로부터 중간환까지의 기준반경과, 중간환의 가변반경과의 비를 일정한 범위 내에서 시험적으로 한정함으로써 가열면 손상의 원인인 드라이아웃 현상이 높은 열유속 하에서도 발생되지 않도록 하고, 유로 단면적의 증가나, 냉각수 유량 등의 증가 없이도 드라이아웃 출력을 증대시키고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

아울러 본 발명은 핵연료봉 다발 내로 유입되는 냉각수의 유입온도와 유속을 시험적으로 일정한 범위로 내로 한정하여 드라이아웃의 출력을 증대시킬 수 있는 운전 조건을 제시하고자 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조는 중심에 배치되는 중심봉(10); 중심봉(10)을 둘러싸는 다수의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 내부환(20); 내부환(20)을 둘러싸는 다수의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 중간환(30); 및 중간환(30)을 둘러싸는 다수의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 외곽환(40);을 포함하고,

중심봉의 중심으로부터 중간환의 반경은 가변되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 중심봉으로부터 상기 중간환까지의 기준반경과, 상기 중간환의 최대 가변반경과의 비는 1 : 1.0174인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조는 핵연료다발의 임계열유속 증가를 통하여 중수로의 이상 운전 혹은, 사고 시 트립여유도를 향상시킬 수 있으며, 노후화 원전에서의 출력감발을 줄일 수 있고, 경제성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

아울러 본 발명은 중수로 핵연료다발의 중심봉을 중심으로 배치된 핵연료봉의 간격을 조절하여 발전용량을 감소시키거나, 냉각수의 유량을 증가시키지 않고서도 드라이아웃 출력을 증가시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명은 핵연료봉 다발 내로 유입되는 냉각수의 유입온도와 유속을 시험적으로 일정한 범위로 내로 한정하여 드라이아웃의 출력을 증대시킬 수 있는 운전 조건을 제시할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 중수로 핵연료다발을 나타내는 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 핵연료봉 구조에서 내부환의 직경 변화에 대응한 중간환의 핵연료봉의 재배치 구조를 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 핵연료봉 구조에서 내부환의 직경 변화가 없는 경우 중간환의 핵연료봉의 재배치 구조를 나타내는 평면도,
도 4 내지 도 6의 좌측도는 본 발명에 핵연료봉 구조에서 냉각수의 유속과 유입온도에 따른 핵연료채널 출력을 나타내는 그래프,
도 4 내지 도 6의 우측도는 도 1에 도시된 기존 중수로 핵연료다발의 드라이아웃 현상이 발생하는 핵연료채널의 출력과, 도 4 내지 도 6의 좌측도에 도시된 핵연료채널의 출력을 비교한 그래프이다.

이하에서는 본 발명에 따른 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조를 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세하게 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조는

1개의 중심봉(10)을 기준으로, 중심봉(10) 외곽을 둘러싸는 6개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 내부환(20)과, 내부환(20)의 둘러싸는 12개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 중간환(30)과, 중간환(30)의 둘러싸는 18개의 핵연료봉(FR)을 구성되는 외곽환(40)을 포함하여 구성된다.

즉 핵연료봉(FR) 구조는 중심봉(10)을 기준으로 각 환은 이웃하는 층을 형성하도록 배치되는 복수의 핵연료봉(FR)을 포함하여 중수로용 37 핵연료다발로 구성되고,

이렇게 구성된 핵연료다발은 압력관(50) 내부에 배치된다.

그리고 핵연료다발의 양단에는 각 환에 대응하는 환형의 지지체가 연결되고, 이 지지체들을 연결하는 이음체로 구성되는 앤드플레이트가 구비된다.

이러한 핵연료다발은 수평으로 놓여진 핵연료채널 내에 수평으로 배치된다.

이 경우 첨부된 도면에는 도시되지 않았지만 인접한 핵연료봉들(FR)에는 상호 대응하는 위치에 스페이스가 구비되어 핵연료봉들(FR) 상호간 접촉이 차단될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 냉각수는 핵연료채널을 감싸는 관의 오른쪽 또는 왼쪽 입구에서 유입되어 반대쪽 유출구를 통하여 배출된다.

이 과정에서 냉각수와 핵연료봉들(FR) 간에 열교환이 이루어진다.

이때 핵연료봉(FR)의 열유속이 일정한 값을 넘게 되면 냉각수의 액막이 파괴되어 기포가 발생되며, 냉각수와 핵연료봉(FR) 간의 열전달이 원활하게 이루어지지 않아 핵연료봉(FR)이 손상되는 드라이아웃(dryout) 현상이 발생될 수 있다.

이 경우 대부분의 임계열유속은 실험적 및 해석적으로 중심봉(10) 주변에서 발생하는 것으로 밝혀져 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 내부환(20)의 유로 단면적을 증가시킬 목적으로 내부환(20)의 반경을 미소 증가시켜 임계열유속을 향상시키는 것이 가능하다.

다만 내부환(20)의 반경만 증가시키는 경우 인접한 핵연료봉(FR)들 간의 간격, 즉 내부환(20)의 핵연료봉들(FR)과 인접한 중간환(30)의 핵연료봉들(FR) 간의 간격이 좁아져 내부환(20)의 반경 증가에 한계가 있고, 이러한 경우 내부환(20)과 중간환(30) 사이의 유로 단면적이 축소되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 내부환(20) 반경의 미소 증가 시에, 중간환(30)의 반경 역시 가변될 수 있도록 하여 유로 단면적 변화의 변화없이 중심봉(10)에서 발생되는 임계열유속을 주변으로 전이시켜 최대 열적여유도를 증가시킬 수 있게 된다.

이를 위하여 도 2에서는 내부환(20) 반경의 미소 증가 시, 내부환(20)의 반경 증가에 대응하여 중간환(30)의 핵연료봉들(FR)이 재배치된 상태를 나타내고 있다.

이 경우 중간환(30)의 핵연료봉(FR)들이 재배치되기 전의 상태에서 중심봉(10)의 중심로부터 중간환(30), 즉 도 2 및 도 3의 도시에서 '점선'으로 표시된 핵연료봉(FR) 중심까지의 거리를 기준반경(D1)라 한다.

그리고 중간환(30)의 핵연료봉들(FR)이 재배치된 상태에서 중심봉(10)의 중심으로부터 중간환(30), 즉 도 2 및 도 3의 도시에서 '실선'으로 표시된 핵연료봉의 중심까지의 거리를 가변반경(D2)이라 한다.

여기서 기준반경 D1이 28.75mm라면, 가변반경 D2는 최대 29.25mm까지인 것이 바람직하다.

따라서 중간환(30)의 기준반경(D1)을 기준으로 가변반경(D2)의 최대 변화비는 1 : 1.0174이다.

일반적으로 중수로용 핵연료봉다발은 각 환에 인접한 핵연료봉들(FR)간의 최소 이격 거리가 1.8mm로 설계되어 있고, 중간환(30)의 핵연료봉(FR)과 이웃한 외곽환(40)의 핵연료봉(FR) 간의 접촉을 방지하기 위한 스페이스의 최소 높이는 0.64mm 이상이어야 한다.

따라서 중간환(30)의 반경이 증가되는 경우 중간환(30)의 핵연료봉(FR)과 이웃하는 외곽환(40)의 핵연료봉(FR) (이 경우 외곽환의 반경 변화는 없는 것을 전제로 함) 사이의 이격거리를 상기 조건을 만족하여야 한다.

예컨대 중간환(40)의 가변반경이 0.5mm 증대되는 경우 중간환(30)의 핵연료봉들(FR)과 외곽환(40)의 핵연료봉들(FR)과의 이격거리는 1.3mm가 되고,

이 경우 중간환(30)과 외곽환(40)의 핵연료봉들(FR) 간의 이격거리의 절반은 0.65mm이다.

따라서 상기한 바와 같이 스페이스에 의한 각 핵연료봉들 간의 최소 이격거리를 만족하게 된다.

이러한 설계조건을 만족하는 중간환(30)의 기준반경(D1)을 기준으로 중간환(30)의 가변반경(D2)의 최대변위는 0.5mm이고, 이에 의한 기준반경(D1)과 중간환(30)의 가변반경(D2)의 최대 변화비는 1 : 1.0174인 것이 바람직하다.

특히 중간환(30)의 기준반경(D1)으로부터 중간환(30)의 가변반경(D2)의 최대 변위까지 드라이아웃이 발생되는 핵연료채널의 출력(또는 드라이아웃 출력)이 증가된다.

또한 중간환(30)의 기준반경(D1)에서 핵연료다발의 드라이아웃 현상이 발생하는 핵연료채널의 출력(dryout power)과, 중간환(30)의 가변반경(D2)에 의하여 핵연료봉(FR)이 재배치된 상태에서 드라이아웃 현상이 발생되는 핵연료채널의 출력을 비교한 드라이아웃 출력의 향상도(Enhancement ratio of dryout power) 역시 중간환(30)의 기준반경(D1)의 최대변위는 기준반경(D1)으로부터 29.25mm 구간에서 개선된다.

상기한 바와 같은 결과는 상기한 냉각수의 유입온도 및 유속 범위에서 기준반경인 28.75mm에서 최대 가변반경 29.25mm까지 증가되며, 핵연료다발의 출력을 증가시켜 드라이아웃이 발생되는 출력을 시뮬레이션한 결과이며, 이러한 결과를 그래프화하면 도 4 내지 도 6의 도시와 같다.

이때의 시뮬레이션은 공지의 중수로 핵연료 열수력 부수로 해석코드(Thermalhydraulic subchannel analysis code)를 사용하였다.

상기한 부수로 해석코드는 공지된 바와 같이 수평으로 이루어진 중수로 핵연료의 단상 및 이상유동(two-phaseflow) 해석을 위한 것으로,

드라이아웃(dryout) 또는 임계열유속(CHF : Critical Heat Flux)을 예측하기 위하여 중수로 핵연료의 부수로내 유동 및 상분포(phase distribution)를 계산하는 일반 코드이다.

도 4 내지 도 6의 도시는 기존 37 핵연료다발에서 중간환(30)을 0.1mm씩 증가시켜 가면서 냉각수의 여러 유동조건에 대한 드라이아웃 출력과, 그 향상도 계산을 수행한 결과이다.

이를 위하여 냉각수의 유입온도는 256℃, 262℃, 268℃까지 3개의 타입으로 나누고, 각 냉각수 유입온도에 따라 중간환(30)의 가변반경(D2)은 기준반경(D1)으로부터 0.1mm씩 증가시켜 28.75mm, 28.85mm, 28.95mm, 29.05mm, 29.15mm, 29.25mm까지 6개의 타입으로 나누고, 냉각수의 유속은 20kg/s, 22kg/s, 24kg/s, 26kg/s, 28kg/s, 30kg/s까지 6개의 타입으로 나누어 시뮬레이션을 수행하였다.

각 도면에서 t56gxx는 유입온도 256℃에서 냉각수의 각 유속을 나타내고, t62gxx는 유입온도 262℃에서 냉각수의 각 유속을 나타내며, t68gxx는 유입온도 268℃에서 냉각수의 각 유속을 나타낸다.

아울러 각 도면에서 그래프의 횡축은 중간환(30)의 가변반경(D2)을 나타내고,

각 도면에서 좌측 그래프의 종축은 드라이아웃 출력을 나타내며, 우측 그래프의 종축은 드라이아웃 출력의 향상도를 나타낸다.

먼저 도 4의 좌측도의 경우에는 냉각수 유입온도가 256℃일 때, 중간환(30)의 가변반경(D2)을 28.75mm ~ 29.25mm까지 타입별로 증가시키는 경우 유속이 느린, t56g20과 t56g22인 경우 각각 드라이아웃 출력이 일정 구간까지 증가하다가 감소하는 추세를 보이고 있으며,

나머지 조건하에서는 드라이아웃 출력이 점층적으로 증가하는 추세를 보이고 있다.

즉 냉각수의 유속이 상대적으로 느린 20kg/s ~ 22kg/s 구간에서는 중심봉(10)으로부터 중간환(30)의 반경이 일정 구간까지 증가하는 경우 드라이아웃 출력은 증가하나, 중심봉(10)으로부터 중간환(30)의 반경이 이 한계 구간을 넘어서게 되면 드라이아웃 현상이 발생하게 됨을 확인할 수 있다.

이러한 현상은 핵연료봉(FR)은 일정한 길이를 갖기 때문에 처짐이 발생하게 되고, 이러한 처짐 현상에 의하여 압력관 상부와 이에 인접한 핵연료봉들(FR) 사이에는 유로 단면적이 하부보다 상대적으로 넓어지게 된다.

이 경우 냉각수의 유속이 느린 경우 상부에 위치하는 핵연료봉들(FR) 사이의 유까지 냉각수의 확산이 어렵게 되고, 따라서 이 공간상에 바이패스 유로가 형성된다.

따라서 상부에 위치하는 핵연료봉들(FR)은 냉각수와의 열 교환율이 떨어지기 때문에 드라이아웃 현상이 발생하게 된다.

반대로 냉각수이 유속이 상대적으로 빠른 24kg/s ~ 30kg/s 구간에서는 냉각수의 확산이 원활하고, 이에 의하여 상부에 위치하는 핵연료봉들(FR) 사이의 유로까지 냉각수가 확산되어 열교환이 원활하게 이루어짐으로써 드라이아웃 현상이 발생하지 않게 된다.

이러한 결과는 도 5 및 도 6의 좌측도에서도 동일한 결과를 확인할 수 있다.

결론적으로 냉각수의 유속이 20kg/s 미만인 경우 냉각수의 유속이 너무 느려져 냉각수의 확산이 원활하지 않아 일부 핵연료봉들(FR) 사이의 유로까지 확산되지 못하여 열교환효율이 떨어져 드라이아웃 현상이 발생하게 된다.

반대로 냉각수의 유속이 30kg/s를 초과하는 경우에는 냉각수의 유속이 너무 빨라 핵연료봉들(FR)과의 접촉에 의한 열교환 시간 단축으로 열교환효율이 떨어져 드라이아웃 현상이 발생하게 된다.

따라서 냉각수의 유속은 20kg/s ~ 30kg/s 범위 내에서 공급될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한 도 4 내지 도 6의 좌측도에서 냉각수의 유입온도가 가장 낮은 256℃에서 드라이아웃 출력이 가장 증가됨을 확인할 수 있으나, 핵연료봉(FR)과 열교환 한 냉각수는 2차 열교환 및 3차 열교환을 통하여 증기를 발생시켜야 하므로 가급적 높은 온도를 갖고 유출되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서 핵연료다발 내로 유입되는 냉각수의 유입온도는 이러한 점을 고려하여야 하며, 현재 CANDU-6형 중수로의 조건에 따르면 256℃ ~ 268℃의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

한편 상기한 바와 같은 결과에 따른 중간환(30)의 가변반경(D2)과 기준반경(D1)인 28.75mm의 드라이아웃 출력과 비교한 드라이아웃 출력의 향상도는 도 4 내지 도 6의 우축도에 도시되어 있다.

즉, 중간환(30)의 가변반경(D2)가 28.75 mm보다 큰 경우 드라이아웃 현상이 발생되는 핵연료다발의 출력은 D2가 28.75 mm인 경우보다 큰 것을 알 수 있으며, 가장 크게는 중간환(30)의 최대 가변반경인 29.25mm에서 약 6%의 드라이아웃 출력을 증대시킬 수 있는 것을 알 수 있다(도 4 및 도 5 참조).

따라서 중간환(30)의 기준반경(D1)과 가변반경의 최대 변화비는 1 : 1.0174, 즉 28.75mm ~ 29.25mm 사이에 있는 경우 보다 효과적임을 알 수 있다.

한편 도 3의 도시는 내부환(20)의 직경 변화가 없는 경우 중간환(30)의 직경 변화되는 경우를 나타내고 있다.

이러한 경우에도 상기한 바와 같은 시뮬레이션 결과는 동일 내지 유사하며, 그 효과 역시 유효하다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조를 설명함에 있어 특정 형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

FR : 핵연료봉
10 : 중심봉
20 : 내부환
30 : 중간환
40 : 외곽환
50 : 압력관

Claims (4)

1. 중심에 배치되는 중심봉(10);
   상기 중심봉(10)을 둘러싸는 6개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 내부환(20);
   상기 내부환(20)을 둘러싸는 12개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 중간환(30); 및
   상기 중간환(30)을 둘러싸는 18개의 핵연료봉(FR)으로 구성되는 외곽환(40);을 포함하고,
   각 환의 인접한 상기 핵연료봉(FR)들간의 최소 이격거리는 1.8mm이고, 상기 중간환(30)의 핵연료봉(FR)과 이웃한 상기 외곽환(40)의 상기 핵연료봉(FR) 간의 접촉을 방지하기 위한 스페이스의 최소높이는 0.64mm이며,
   상기 중심봉(10)의 중심으로부터 상기 중간환(30)의 반경은 가변되고,
   상기 중심봉(10)으로부터 상기 중간환(30)까지의 기준반경(D1)과 상기 중간환의 최대 가변반경(D2)과의 비는 1 : 1.0174인 것을 특징으로 하는 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 환의 핵연료봉들(FR) 사이로 유입되는 냉각수의 유속은 20kg/s ~ 30kg/s인 것을 특징으로 하는 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 각 환의 핵연료봉들(FR) 사이로 유입되는 냉각수의 유입온도는 256℃ ~ 268℃인 것을 특징으로 하는 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 중간환(30)의 가변반경은 상기 중심봉의 중심으로부터 상기 내부환(20)의 반경 변화에 대응하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 중수로 핵연료다발의 임계열유속 향상을 위한 핵연료봉 구조.
   

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