KR102149211B1 - 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법 - Google Patents

감속재 제염 폐기물의 감량화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 감속재 중의 방사성 원소를 제염하는 단계; 및 제염된 감속재 중의 방사성 원소를 전기 흡착 또는 산처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면 감속재 제염 폐기물을 획기적으로 감소시킬 수 있다.

Description

감속재 제염 폐기물의 감량화 방법{METHOD FOR REDUCING DECONTAMINATION WASTE OF MODERATOR}
본 발명은 제염 폐기물의 감량화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래 원자력 발전의 부산물로 발생하고 있는 감속제 제염 폐기물을 효과적으로 감량하는 방법에 관한 것이다.
원자력 발전은 우라늄의 핵분열을 이용한 발전이다.
우라늄이 핵분열하면 핵분열 중성자가 고속으로 방출되는데, 고속으로 방출되는 핵분열 중성자를 그대로 내버려두면 핵폭발을 일으키므로, 연쇄적이지만 안정적인 핵분열을 지속적으로 발생시키려면 고속으로 방출되는 핵분열 중성자의 운동 에너지를 낮춰서 열 중성자로 감속시켜야 하며, 이 때 핵분열 중성자의 에너지 즉 속도를 감속시키기 위해서 감속재가 사용된다.
감속재는 고속으로 방출되는 핵분열 중성자와 충돌할 때 핵분열 중성자가 가진 에너지를 전달받아 핵분열 중성자의 에너지를 잃도록 하면서 최종적으로 열 중성자로 감속시킨다.
이때, 원자 질량수가 작을수록 탄성 충돌로 중성자를 감속시키기 쉽고, 열 중성자의 흡수 확률이 낮으므로, 주로 경수(輕水, H2O), 중수(重水, D2O), 탄소(흑연) 등을 감속재로 사용하고 있다.
우리 나라의 원자력 발전에서는 대부분 감속재로 경수를 사용하고 있으며, 경수 내에 포함된 원소 중의 일부가 발전 중에 다음과 같은 반응식에 따라서 방사화된다.
[반응식]
14N + n → 14C + p
17O + n → 14C + α
여기에서, p는 양성자, α는 알파 입자, n은 중성자.
이때, 발생하는 방사성 핵종(방사선 원소라고도 함)인 14C는 반감기가 5730 년이고, 베타선을 방사한다.
최종적으로 안정화되기 전까지는 지속적으로 베타선을 방출하며, 이 방사능에 (예컨대, 내부) 피폭되는 경우 장애를 입을 수 있으므로 까다로운 관리가 필요하다.
또한, 우라늄의 핵분열을 이용하고 있기 때문에 원자력 발전 중에는 다양한 방사성 핵종이 생성되고 있으며, 이들 중 일부는 환경이나 사람에게 큰 영향을 미치지 않고 빠르게 안정화되지만, 일부는 환경이나, 특히 원자력 발전소의 작업 공간으로 누출되는 경우 종사자들에게 위해를 가할 우려가 매우 높다.
위해를 가할 우려가 큰 방사성 핵종으로는 상술한 14C 이외에도 60Co, 137Cs 등이 있으며, 이들 핵종에 대해서는 준위와 무관하게 엄격하게 관리할 필요가 있다.
원자력 발전의 결과 발생하는 방사성 핵종은 기체 방사성 폐기물이나 고체 방사성 폐기물, 또는 액체 방사성 폐기물에 포함되어 외부로 배출될 수 있다.
그 중에서, 기체 방사성 폐기물은 활성탄과 같은 가스 포집 장치나 필터 등을 이용하여 포집한 다음 방사능이 약해지면 외부 대기로 배출하며, 고체 방사성 폐기물은 형태에 따라서 가연성이면 소각하고, 압축성이면 압축 장치를 이용하여 부피를 최소화하고 있다.
액체 방사성 폐기물에 대해서는 그 방사능이 높은 경우에는 증발이나 화학적 침전법을 사용하고, 그 방사능이 낮은 경우에는 이온 교환법을 사용하며, 방사능 수준이 충분히 낮아서 배출 가능한 수준이라면 냉각수로 희석하여, 예컨대, 강이나 바다로 흘려 보내거나, 원자력 발전 계통에서 재사용하고 있다.
방사성 코발트(60Co)의 반감기는 대략 5 년이고, 방사성 세슘(137Cs)의 반감기는 대략 30 년이지만, 이들은 방사성이 강해서 환경이나 인체에 미치는 영향이 크므로 적절한 폐기 절차를 밟아야 한다.
이와 같이 원자력 발전 중에 감속재에서 발생하는 방사성 핵종(14C, 60Co, 137Cs 등)을 효과적으로 폐기하기 위해서 이온 교환 수지, 예컨대, IRN-150 혼합 이온 교환 수지(IRN-77 + IRN-78)를 사용하여 감속재 내의 14C를 흡착시키고 있다.
14C가 흡착된 폐 IRN-150 혼합 이온 교환 수지를 제염할 때, 산처리에 의해 14C는 14CO2로 기체화되고, 산처리 후에도 137Cs 및 60Co는 산세정액 내에 잔류하며, 상술한 바와 같이 137Cs 및 60Co는 엄격한 폐기 절차를 밟아야 한다.
종래, 폐 IRN-150 혼합 이온 교환 수지의 제염시 발생하는 기체상 14CO2는 정상 이산화탄소(CO2)와 화학적 성질의 차이가 없기 때문에 자연으로 방출되는 경우, 그대로 식물 광합성에 사용되어 먹이 사슬을 따라 이동하면서 축적되어 궁극적으로 인체 피폭을 초래할 수 있다.
기체상 14CO2는 활성탄과 같은 가스 포집 장치나 필터 등을 이용하여 포집한 다음 방사능이 약해지기를 기다리기에는 너무 많은 시간이 소요된다는 문제점이 있다.
또한, IRN-150 혼합 이온 교환 수지의 제염에 이용된 산용액 및 폐 IRN-150 혼합 이온 교환 수지 자체를 감량할 필요가 절실하나 산세정액 내에 잔류한 137Cs 및 60Co는 현재로서는 감량화할 방법이 없으므로 폐 IRN-150 혼합 이온 교환 수지 자체를 단순 압축하여 드럼에 넣은 다음 밀폐하여 보관하다가 최종적으로 방사성 폐기물 처분장에서 폐기 처분하고 있었다.
그러나, 현재 운영 중인 방사성 폐기물 처분장의 총처분 용량을 고려하였을 때, 폐기 처분되는 폐 IRN-150 혼합 이온 교환 수지의 양은 적으면 적을수록 좋을 것이다.
이에 본 발명의 발명자들은 각고의 노력 끝에 상술한 단점을 극복하고 감속재의 제염 폐기물을 획기적으로 감량할 수 있는 방법을 창출하기에 이르렀다.
대한민국 등록특허공보 제10-0747762호(2007.08.08. 공고)
본 발명의 목적은 원전에서 발생하는 방사성 원소가 포함된 감속재 폐기물의 양을 적극적으로 저감할 수 있는 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 통상의 기술자라면 이하의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 감속재 중의 방사성 원소를 제염하는 단계; 및 제염된 감속재 중의 방사성 원소를 전기 흡착 또는 산처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 감속재는 물인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제염은 IRN-78 음이온 교환 수지를 사용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방사성 원소는, 14C, 137Cs, 60Co 중의 하나 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 14C는 상기 감속재의 방사화로 인하여 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 방사화는 하기 반응식으로 표시될 수 있다.
[반응식]
14N + n → 14C + p
17O + n → 14C + α
여기에서, p는 양성자, α는 알파 입자, n은 중성자.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 감속재의 방사화로 인하여 생성된 상기 14C는 상기 산처리에 의해서 14CO2로 변환될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 14CO2는 Ca 계열 슬러리 흡착제를 사용하여 흡착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Ca 계열 슬러리 흡착제는 Ca/Mg/SrO, Ca/Mg/Sr(OH)2, Ca/Mg/SrCO3 등 Ca, Mg, Sr 등의 알칼리성 토금속이 단독, 또는 2 개의 조합 또는 3 개 원소가 혼합되어 산화염, 수산화염, 탄산염의 형태를 이룬 것 중의 하나인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Ca 계열 슬러리 흡착제에 의해서 상기 14CO2는 Ca-14CO3 침전물로 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기 흡착은 상기 방사성 원소 중의 137Cs 및 60Co를 흡착하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기 흡착에 의해서 상기 방사성 137Cs 및 60Co는 90 % 이상 제거될 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 원자력 발전소에서 사용하는 감속재 중의 방사성 원소를 효과적으로 제염할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 본 발명은 제염된 감속재 중의 방사성 원소를 전기 흡착 또는 산처리하므로, 종래, 발생되었던 폐 IRN-150 혼합 이온 교환 수지의 폐기물 발생량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 다른 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코발트 이온의 회수를 설명하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코발트 이온의 농축을 설명하는 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 본 발명의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의됨을 알아야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략할 수 있다.
먼저 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법의 공정 흐름도이다.
도 1에 따르면, IRN-78 수지(음이온 교환 수지)를 사용하여 감속재를 제염할 수 있다(단계 S10).
상기 IRN-78 음이온 교환 수지는 종래 사용되고 있었던 IRN-150 혼합 이온 교환 수지(IRN-77 양이온 교환 수지 + IRN-78 음이온 교환 수지) 중의 IRN-77 양이온 교환 수지를 제외한 IRN-78 음이온 교환 수지로, 종래 사용되었던 IRN-77 양이온 교환 수지를 제외하였으므로, 이것만으로도 폐기물이 상당량 감량될 수 있다.
한편, 감속재 중에는 60Co, 137Cs 등과 같은 방사성 원소도 포함되어 있다.
이들 방사성 원소는 방사성 때문에 환경으로부터 분리되는 것이 바람직하며, 상술한 바와 같이 IRN-78 음이온 교환 수지로는 이들 방사성 원소를 분리할 수 없으며, 본 발명의 발명자들은 이들 방사성 원소를 전기 흡착법을 사용하여 분리/농축하였다.
구체적으로, 전기 화학적 흡착 기술을 사용하여 감속재 중에 존재하는 137Cs, 60Co를 분리/농축하여 제거하였다(단계 S20).
137Cs 및 60Co의 고농축액은 불가피하게도 농축된 상태로 폐 IRN-78 음이온 교환 수지와 함께 드럼에 폐기될 수 있다.
전기 흡착 발생하는 기체 등은 별도의 방법을 통해서 중성으로 제염할 수 있다.
이에 본 발명에서는 전기 화학적인 전기 흡착법을 적용하여, 감속재 중의 137Cs 및 60Co를 직접 분리/농축 가능한 기술을 적용하였다.
한편, 감속재의 방사화로 인하여, 상술한 바와 같이, 14C가 생성될 수 있으며, 이 14C는 산처리에 의해서 14CO2로 변환되며, 이 14CO2는 환경에 노출되는 유해하므로 과기부 고시 제98-12 이후 원전 주변 환경 감시 항목으로 지정 고시되었으나, 기체상이므로 관리가 어렵다는 문제가 있었다.
이와 같은 점을 고려하여 본원 발명의 발명자들은 기체상 14CO2를 효과적으로 제거하기 위해서, Ca 계열 슬러리 흡착제를 사용하여 흡착하는 공정을 사용하였다.
상술한 바와 같이, IRN-78 음이온 교환 수지를 제염하기 위해서 이 IRN-78 음이온 교환 수지를 산처리하고, 그 제염에 사용된 산용액은 해당 산처리 공정으로 재순환시켜서 재활용하는 것이 바람직하다.
한편, 이 산처리에 의해서 생성된 기체상 14CO2를 효과적이면서도 특히 열역학적으로 안정하게 처리할 수 있는 물질은 알칼리 토금속과 14CO2가 반응하여 생성된 탄산염이 유일하며, 본 발명에서도 이와 같은 Ca 계열 슬러러 흡착제를 사용하여 14CO2를 Ca-14CO3 침전물로 분리하였다(단계 S30).
이때 Ca 계열 슬러리 흡착제는 Ca/Mg/SrO, Ca/Mg/Sr(OH)2, Ca/Mg/SrCO3 등 Ca, Mg, Sr 등의 알칼리성 토금속이 단독 또는 2 개의 조합 또는 3 개 원소가 혼합되어 산화염, 수산화염, 탄산염의 형태를 이룬 것 중의 하나인 것이 바람직하다.
가장 바람직하게는 Ca/Mg/Sr(OH)2를 사용할 수 있다.
이때, Ca 계열 슬러리 흡착제의 사용량은 포집된 기체상 14CO2와의 반응 화학 당량을 약간 초과하는 정도로 사용하면 바람직하다.
반응 화학 당량 미만의 사용량이면 반응하지 않은 기체상 14CO2가 존재할 우려가 있고, 반응 화학 당량을 초과하는 사용량이면 반응에 참여하지 않은 Ca 계열 슬러리 흡착제가 존재할 수 있어 방사성 오염을 전파할 우려가 있어 바람직하지 않다.
여기에서, 본 발명에서의 '반응 화학 당량'은 화학 반응에 대한 성질에 입각하여 정해진 원소 또는 화합물의 일정량을 의미할 수 있다.
또한, Ca 계열 슬러리 흡착제는 알칼리 습식 슬러리를 이용하는 경우에 탄산염 전환 효율이 더욱 더 향상될 수 있다.
알칼리 습식 슬러리의 구성은 통상의 기술자에게는 공지된 구성이라고 판단되며, 그 구체적인 구성에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.
14CO2의 탈착에 사용된 산세정 용액은 재활용할 수 있다.
또한, 14CO2 흡착 슬러리 여과액을 재순환하여 14CO2의 고형화에 사용할 수 있으므로, 액체 무방출 공정이 가능하다.
본 발명에서는, 구체적으로, 전기 화학적 흡착 기술을 사용하여 감속재 중에 존재하는 137Cs, 60Co를 분리/농축하여 제거(단계 S20, 도 1 참조)하고 있으며, 관련하여 도 2 및 도 3을 참조하여 추가 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코발트 이온의 회수를 설명하는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코발트 이온의 농축을 설명하는 그래프이다.
도 2 및 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, CoCl2의 회수 또는 농축은 횟수(# of cycles)가 반복됨에 따라서, 예컨대, 10 회차에는 90 % 이상의 코발트 제거 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
원자력 발전소로부터 카트리지 상태의 IRN-78 음이온 교환 수지(Alfa Aesar)를 준비하였다.
이 IRN-78 음이온 교환 수지에는 감속재의 일부와 14C, 60Co, 및 137Cs와 같은 방사성 원소(또는 방사성 핵종이라고도 함)가 포함되어 있다.
먼저, 감속재 중에 포함된 60Co, 137Cs 등과 같은 방사성 원소를 제거하기 위해서 전기 흡착을 실시하였다.
전기 흡착에 사용된 방사성 핵종 모액은 50 ppm(Co 기준)의 CoCl2(총량 2 L) 용액을 사용하였다.
탈착 용액으로는 증류수 100 mL를 사용하였다.
전극은 10 cm x 10 cm의 이중 전극으로 제작하였고, 흡착은 1.5 V에서 5 분간 실시하고, 이어서 탈착 역시 1.5 V에서 5 분간 실시하였다.
흡착을 종료한 후 탈착시 용액을 농축하기 위한 방법으로 전기 흡착 시스템 내, 즉 전극 내부의 용매를 제거하였다.
다음으로, 상술한 바와 같이, 감속재의 방사화로 인하여 생성된 14C는 산처리에 의해서 기체상으로 변환된 14CO2를 흡착하기 위해서 Ca 계열 슬러리 흡착제, 구체적으로는 CaO 10 g을 사용하였다.
다르게는 Ca(OH)2 10 g를 사용할 수도 있다.
Ca 계열 슬러리 흡착제와 기체상 14CO2가 충분히 반응할 수 있도록 포집된 기체상 14CO2의 반응 화학 당량을 약간 초과하는 양, 즉 (13 g)를 투입하였다.
실험례
상술한 실시예의 전기 화학적 흡착 기술의 효과에 대해서 살펴보기 위해서, CoCl2의 회수 또는 농축 횟수에 따른 회수율(%)에 대해서 사용된 방사성 핵종 모액은 50 ppm(Co 기준)의 CoCl2(총량 2 L) 용액을 사용하였으며, 그 결과는 다음 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure 112019133359929-pat00001
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, Co 이온의 회수율(%)은 모액 기준으로 7 회 정도에서는 90 %를 상회하며, 10 회 정도에서는 97 %를 상회한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 감속재의 제염에 있어서, IRN-78 음이온 교환 수지만을 사용하고, 전기 화학적 흡착 기술을 병행하면, 기체상 14CO2는 100 % 제거될 수 있고, 감속재 중에 포함된 137Cs 및 60Co와 같은 방사성 원소는 최소 90 % 이상 농축하여 제거할 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 감속재 제염 폐기물의 감량화 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 청구 범위뿐만 아니라 이 청구 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 청구 범위에 의하여 나타내어지며, 그 청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S10 : IRN-78을 이용하여 감속재 제염
S20 : 137Cs, 60Co 제거
S30 : Ca-14CO3 분리

Claims (12)

  1. 감속재 중의 방사성 원소를 제염하는 단계; 및
    제염된 감속재 중의 방사성 원소를 전기 흡착 또는 산처리하는 단계;를 포함하며,
    상기 제염은 IRN-78 음이온 교환 수지를 사용하여 수행되며,
    상기 전기 흡착은 금속 이온을 제거 및 농축하는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 감속재는 물인 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방사성 원소는, 14C, 137Cs, 60Co 중의 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 14C는 상기 감속재의 방사화로 인하여 생성되는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 방사화는 하기 반응식으로 표시되는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
    [반응식]
    14N + n → 14C + p
    17O + n → 14C + α
    여기에서, p는 양성자, α는 알파 입자, n은 중성자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 감속재의 방사화로 인하여 생성된 상기 14C는 상기 산처리에 의해서 14CO2로 변환되는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 14CO2는 Ca 계열 슬러리 흡착제를 사용하여 흡착되는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 Ca 계열 슬러리 흡착제는 Ca/Mg/SrO, Ca/Mg/Sr(OH)2, Ca/Mg/SrCO3 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 Ca 계열 슬러리 흡착제에 의해서 상기 14CO2는 Ca-14CO3 침전물로 분리되는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기 흡착은 상기 방사성 원소 중의 137Cs 및 60Co를 흡착하는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 전기 흡착에 의해서 상기 방사성 137Cs 및 60Co는 90 % 이상 제거 및 농축되는 것을 특징으로 하는,
    감속재 제염 폐기물의 감량화 방법.
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