KR20120124301A - Pellet-Cladding Interaction testing mandrel cell and System comprising Thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 현상을 정밀하게 모사하여 평가 및 측정하기 위한 핵연료 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀 및 이를 구비한 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a sinter-coated tube interaction measuring apparatus of a nuclear fuel rod, and more particularly to a fuel sinter-coated tube interaction measuring mandrel cell for accurately simulating and evaluating and measuring the sinter-coated tube interaction measuring phenomenon of a fuel rod. It relates to a system having this.
원자력발전소용 핵연료 봉은 피복관 내에 여러 개의 핵연료 소결체(Pellet)가 적층되어 있는데, 상단과 하단은 마개로 용접되어있어 외부의 냉각수와 차단되며 핵연료 물질이 냉각수를 오염시키는 것을 방지하고 있다.
Nuclear fuel rods for nuclear power plants have several fuel pellets stacked in a cladding tube. The upper and lower ends are welded with plugs to block external coolant and prevent the fuel material from contaminating the coolant.
원자로 내에서 핵반응이 진행될수록 소결체가 팽창하여 소결체와 피복관 사이의 간격이 줄어들게 되고 결국은 서로 밀착하여 피복관에 응력을 주게 된다. 또한 핵반응 생성물로 인하여 부식성이 강한 가스가 생성되어 내압이 증가함으로써 소결체와 피복관 사이에는 물리 화학적인 상호작용으로 인한 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)이일어나게 된다.
As the nuclear reaction proceeds in the reactor, the sintered body expands and the gap between the sintered body and the cladding tube is reduced, and eventually close contact with each other to stress the cladding tube. In addition, the corrosion reaction gas is generated by the nuclear reaction product to increase the internal pressure, the stress corrosion cracking (SCC) due to the physicochemical interaction between the sintered body and the cladding.
이와 같은 일련의 반응을 소결체-피복관 상호작용(Pellet-Cladding Interaction, PCI)이라 부르며, PCI 현상이 진행되면 결국 핵연료 피복관이 파손되어 원자로 운전이 정지되기도 한다.This series of reactions is called the pellet-cladding interaction (PCI), and when the PCI phenomenon progresses, the nuclear fuel cladding may eventually break, causing the reactor to shut down.
1960년대부터 비등경수로(Boiling Water Reactor, BWR)의 상용 피복관으로 사용되었던 Zircaloy-2 피복관에서는 PCI에 의한 핵연료 피복관의 손상이 많이 발생하였으며 결국 Zircaloy-2 피복관 내부에 지르코늄 라이어(linear)를 활용함으로써 PCI에 의한 피복관 손상의 위험을 감소시키고자 하였다.
In the Zircaloy-2 cladding, which has been used as a commercial cladding for Boiling Water Reactor (BWR) since the 1960s, the damage of nuclear fuel cladding caused by PCI occurred a lot. Finally, the use of zirconium linear inside the Zircaloy-2 cladding caused the PCI To reduce the risk of cladding damage.
가압경수로(Pressurized Water Reactor, PWR)에서 사용되었던 Zircaloy-4 피복관에서는 PCI에 의한 손상이 매우 제한적으로 일어났으나, 최근 원자로 운전조건이 고연소도 장주기 운전이 실시됨으로 인해 운전조건이 점점 가혹해 지고 있으며 특히 고연소도 피복관에서 PCI에 의한 피복관 손상 가능성이 증가되고 있다. 고연소도 핵연료봉에서는 소결체의 팽창과 함께 핵분열 생성물의 농도가 증가하여 요오드 응력부식균열(Iodine-induced Stress Corrosion Cracking, ISCC)의 발생 가능성이 증가하기 때문이다. 또한 부하 추종운전이나 출력 증감 시에도 연료봉 내에 핵분열 생성물의 양이나 내압이 변하여 PCI 가능성이 증가하게 된다.
The Zircaloy-4 cladding used in the Pressurized Water Reactor (PWR) suffered very limited PCI damage, but recently the reactor operating conditions became more severe due to the high combustion long cycle operation. In particular, the possibility of damage to cladding by PCI is increasing in high-burning cladding. This is because the high-combustibility fuel rods increase the concentration of fission products as the sintered body expands, increasing the likelihood of iodine-induced stress corrosion cracking (ISCC). In addition, during load-following operation or output increase or decrease, the amount of nuclear fission product or internal pressure in the fuel rod is changed, thereby increasing the possibility of PCI.
그러므로 원자력 발전소에서는 PCI에 의한 피복관 손상을 방지하기 위하여 까다로운 운전조건을 사용하고 있다. 즉, 출력 증가시 예열조건이나 출력증가속도를 아주 제한적으로 운용하고 있는 것이다. 이로 인해 많은 경제적 부담으로 작용하고 있다. 또한 부하추종운전이나 고 연소 운전시 피복관의 안전성을 검증하기 위해 연구로 노 내에서 출력상승시험(ramp test)을 수행하고 있다. 그리고 노내 출력상승시험결과를 바탕으로 핵연료봉의 안전성을 검증하기 위한 코드를 개발하여 PCI 모델링을 수행하고 있다.Therefore, nuclear power plants use difficult operating conditions to prevent damage to the cladding by PCI. In other words, the preheating condition or the output increase speed are very limited. This is causing a lot of economic burden. In addition, in order to verify the safety of the cladding pipe during the load following operation or the high combustion operation, a ramp test is conducted in the furnace as a study. Based on the results of the internal power test, a code for verifying the safety of nuclear fuel rods has been developed to perform PCI modeling.
또한, 미국특허 US 2007/02080401 A1 에서는 원자로 노심에서 수백개의 핵연료봉을 개별적으로 분석하지 않고서도 전체 노심의 PCI가 일어날 가능성을 평가할 수 있는 방법을 고안하였다.
In addition, US patent US 2007/02080401 A1 devised a method for evaluating the possibility of PCI in the entire core without analyzing hundreds of fuel rods individually in the reactor core.
이와 같이, 원자로 노심에서 PCI에 의한 핵연료봉의 손상을 방지하기 위한 출력상승 시험은 연구로 노 내에서 실시될 뿐만 아니라 시간과 경제적인 측면의 소모가 매우 크다. 또한 핵연료 성능 분석 코드에 의한 PCI 성능 검증방법도 출력상승 시험 데이터가 필요하므로 경제적 소모가 매우 크다. 그러므로 핵연료 피보관의 PCI 특성 시험을 노외에서 손쉽게 실시하여 출력상승 시험의 각 변수에 대한 특성 시험이 이루어질 수 있다면 상기 시험에서 큰 시간적 경제적 소모를 줄일 수 있다. As such, power-up tests to prevent damage to the nuclear fuel rods by PCI at the reactor core are not only conducted in the furnace as a study, but also very time and economical. In addition, the PCI performance verification method using the fuel performance analysis code requires a lot of output test data, which is very economical. Therefore, if the PCI characteristic test of the nuclear fuel can be easily carried out outside the furnace, and the characteristic test for each variable of the power increase test can be made, the large time and economic consumption in the test can be reduced.
즉, 피복관의 PCI 영향인자를 정확히 파악함으로써 노내 출력상승 시험의 횟수나 필요성을 현저히 줄일 수 있으며 특히 고연소/장주기 운전으로 운전조건이 점점 가혹해지고 있는 고연소도 피복관의 PCI 안전성을 확보할 수 있다.
In other words, by accurately grasping the PCI influence factors of the cladding tube, the number and necessity of the in-house output increase test can be significantly reduced, and in particular, the PCI safety of the high-combustion cladding tube, which is increasingly severe due to high combustion / long cycle operation, can be secured. .
원자로 노심에서 일어나는 PCI 현상을 노외에서 시험할 수 있는 시험 장비는 미국의 GE 사를 중심으로 한 연구진이 제작하여 시험하였다.[B.N. Nobrega et. al., J. Nucl. Mat., 131(1985) 99]. 이 장치는 지르코늄 슬러그를 이용한 팽창식 맨드렐 시험 장치인데, 시험결과에서 나타난 바와 같이 재현성이 극히 떨어지고 피복관 변형량을 정밀하게 제어할 수 없을 뿐만 아니라 피복관 파열 형상이 노내 PCI를 잘 모사하지 못하는 문제점을 가지고 있다. Test equipment to test the PCI phenomenon occurring in the reactor core outside the furnace was built and tested by researchers based in GE, USA. Nobrega et. al., J. Nucl. Mat., 131 (1985) 99]. This device is an inflatable mandrel test device using zirconium slug, which has extremely poor reproducibility, cannot control the cladding strain precisely as shown in the test results, and also has a problem that the cladding rupture shape does not well simulate the PCI in the furnace. have.
즉, 노내 PCI에서는 적은 변형에서 피복관 표면에 좁은 균열이 발생하는 데 반하여 GE 형의 맨드렐 셀에서는 개구가 매우 넓은 마름모 형태의 넓은 파열 형태로 나타나고 있다.
In other words, in the in-vehicle PCI, narrow cracking occurs in the cladding surface at low deformation, whereas in the GE-type mandrel cell, the opening has a very wide rhombus shape with a very wide rhombus.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이동거리가 긴 핀 타입 맨드렐과 팽창하는 슬리브가 적용된 팽창식 맨드렐 시험 장치를 이용하여 고연소도 피복관에 작용하는 응력과 변형을 정밀하게 제어하고, 변형량을 실시간으로 측정할 수 있는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀 및 이를 구비한 시스템을 제공하는 것이다.
The problem to be solved by the present invention is to precisely control the stress and strain acting on the high-combustion cladding tube by using the pin-type mandrel with a long moving distance and the inflatable mandrel test device is applied to the expansion sleeve, and the amount of deformation in real time The present invention provides a sintered-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod which can be measured by a system and a system having the same.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템은 요오드 분위기에서 피복관 시편을 인장기를 통해 국부적으로 팽창시켜 상기 피복관 시편에 응력부식균열이 일어나도록 하여 상기 피복관 시편의 변형량을 조절하는 맨드렐 셀본체, 상기 맨드렐 셀본체 내의 요오드를 공급하며, 상기 요오드의 농도를 조절하는 요오드 공급부, 상기 맨드렐 셀본체 내에 공급된 요오드의 분압을 조절하는 분압조절부 및 상기 피복관 시편의 변형된 데이터를 실시간으로 저장하는 데이터 저장부를 포함한다.
The sintered body-coated tube interaction measuring system of a nuclear fuel rod according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is to expand the cladding tube specimen locally through a tensioner in an iodine atmosphere to cause stress corrosion cracking in the cladding tube specimen Mandrel cell body to control the amount of deformation of the mandrel cell body to supply iodine, the iodine supply unit to adjust the concentration of the iodine, the partial pressure control unit for adjusting the partial pressure of iodine supplied in the mandrel cell body and It includes a data storage for storing the modified data of the cladding specimens in real time.
상기 맨드렐 셀본체는 맨드렐 셀에 응력을 가하도록 인장시험기에 고정되어 있는 상,하단 지그, 상기 하단 지그의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편, 상기 하단 지그의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵 및 상기 지르코늄 컵 외벽에 구비된 알루미나 슬리브를 포함하며, 상기 상단 지그의 돌출부는 맨드렐 팁이 부착되어 상기 지르코늄 컵 내에 삽입되도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
The mandrel cell body is an upper and lower jig fixed to a tensile tester to apply stress to the mandrel cell, a cladding tube specimen inserted into the protrusion of the lower jig, a zirconium cup and zirconium provided on the upper protrusion of the lower jig. It includes an alumina sleeve provided on the outer wall of the cup, the protrusion of the upper jig is characterized in that the mandrel tip is attached is designed to be inserted into the zirconium cup.
상기 맨드렐 셀본체는 고온에서도 상기 피복관 시편의 변형 량 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 측정 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
The mandrel cell body is characterized in that it comprises a measuring sensor that can accurately measure the amount of deformation of the cladding tube specimen in real time even at high temperatures.
상기 상단 지그 내부는 요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 한다.
The upper jig is characterized in that the iodine outlet is designed to be formed.
상기 하단 지그 내부는 요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 한다.
The lower jig is characterized in that the iodine outlet is designed to be formed.
상기 알루미늄 슬리브는 일정한 간격의 홈(40)이 형성되어, 상기 하단 지그부와 상기 상단 지그부가 접촉되었을 때, 상기 하단 지그부로부터 공급되는 요오드를 상기 상단 지그부로 배출되도록 요오드 유동부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.The aluminum sleeve is formed with a
상기 유량제어부는 캐리어 가스인 아르곤 가스를 일정한 속도로 공급하며, 아르곤 봄베, 정밀 유량 제어기, 역류 억제 밸브로 구성되는 것을 특징으로 한다.
The flow rate control unit supplies argon gas, which is a carrier gas, at a constant speed, and includes an argon cylinder, a precision flow controller, and a backflow check valve.
상기 요오드 공급부는 항온조에 요오드 분말이 들어있는 플라스크가 삽입되도록 설계되어지며, 상기 유량제어부 출구에 구비되어 항온조의 온도 및 맨드렐 셀 출구에 설치된 요오드 분압 조절기를 통해 정밀하게 제어되는 것을 특징으로 한다.
The iodine supply unit is designed to insert a flask containing iodine powder in the thermostat, characterized in that it is precisely controlled through the temperature of the thermostat and the iodine partial pressure regulator installed in the outlet of the mandrel cell.
상기 맨드렐 셀본체 상부는 일정하게 요오드 가스의 누출을 방지할 수 있는 홀더 및 스프링이 장착되는 것을 특징으로 한다.
The upper part of the mandrel cell body is characterized in that the holder and the spring is installed to prevent the leakage of iodine gas constantly.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀은 맨드렐 셀에 응력을 가하도록 인장시험기에 고정되어 있는 상,하단 지그, 상기 하단 지그의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편, 상기 하단 지그의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵 및 상기 지르코늄 컵 외벽에 구비된 알루미나 슬리브를 포함하며, 상기 상단 지그의 돌출부는 맨드렐 팁이 부착되어 상기 지르코늄 컵 내에 삽입되도록 설계되는 것을 특징으로 한다.
The sintered body-coated tube interaction measurement of the nuclear fuel rod according to the embodiment of the present invention for solving the above problems is the upper and lower jig fixed to the tensile tester to apply stress to the mandrel cell, the protrusion of the lower jig It includes a cladding tube specimen to be inserted, a zirconium cup provided on the upper projection of the lower jig and an alumina sleeve provided on the outer wall of the zirconium cup, the projection of the upper jig is attached to the mandrel tip is designed to be inserted into the zirconium cup It is characterized by.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀은 맨드렐 셀에 응력을 가하도록 인장시험기에 고정되어 있는 상,하단 지그, 상기 하단 지그의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편, 상기 하단 지그의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵 및 상기 지르코늄 컵 외벽에 구비된 알루미나 슬리브를 포함하며, 상기 알루미늄 슬리브는 일정한 간격으로 형성되어, 상기 하단 지그부와 상기 상단 지그부가 접촉되었을 때, 상기 하단 지그부로부터 공급되는 요오드를 상기 상단 지그부로 배출되도록 요오드 유동부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
The sintered body-coated tube interaction measurement of the nuclear fuel rod according to the embodiment of the present invention for solving the above problems is the upper and lower jig fixed to the tension tester to apply stress to the mandrel cell, the protrusion of the lower jig It includes a cladding tube specimen to be inserted, a zirconium cup provided on the protrusion of the lower jig and an alumina sleeve provided on the outer wall of the zirconium cup, wherein the aluminum sleeve is formed at regular intervals, the lower jig and the upper jig contact When, the iodine flow portion is formed so that the iodine supplied from the lower jig portion is discharged to the upper jig portion.
본 발명에 따르면 이동거리가 긴 핀 타입 맨드렐을 적용함으로써 두께가 0.57mm의 매우 얇은 핵연료 피복관에 가해지는 변형 량을 미세하게 제어할 수 있고 핵연료 소결체 펠릿이 모래시계모양으로 팽윤하는 모형을 정확히 모사할 수 있을 뿐만 아니라 피복관의 다양한 변형속도제어와 실시간 측정 및 요오드의 농도조절 등 원자로 노 내에서 수행되는 압력상승 시험 시 PCI 영향인자들을 노외에서 정확히 모사할 수 있는 효과가 있다.
According to the present invention, by applying a pin-type mandrel with a long moving distance, it is possible to finely control the amount of deformation applied to a very thin fuel cladding tube having a thickness of 0.57 mm, and accurately model the model in which the fuel sintered pellets swell in an hourglass shape. In addition to this, it is possible to accurately simulate PCI influence factors outside the furnace in the pressure rise test performed in the reactor furnace, such as controlling various strain rates of the cladding tube, real-time measurement, and iodine concentration control.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템을 나타낸 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 맨드렐 셀 본체를 확대한 확대도이다.
도 3은 종래의 맨드렐과 본 발명의 맨드렐를 비교한 예시도이다.
도 4는 GE형 맨드렐의 개념도(가)와 그 형태로 제작된 셀에 의한 두 가지의 성능시험 결과(나,다)를 보여주는 예시도이다.
도 5는 본 발명에 의해 제작된 맨드렐을 가지고 실시한 성능시험 후 얻은 시편의 외형을 보여주는 예시도이다.
도 6은 본 발명에 의한 맨드렐을 사용한 상온 시험 중 맨드렐 팁의 위치를 일정속도로 제어하면서 맨드렐에 가해지는 하중 및 피복관의 변형량을 실시간으로 측정하여 얻은 그래프이다.1 is a block diagram showing a sintered body-coated tube interaction measuring system of a nuclear fuel rod according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view illustrating the mandrel cell body illustrated in FIG. 1.
3 is an exemplary view comparing a conventional mandrel and a mandrel of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram showing the conceptual diagram (a) of the GE-type mandrel and two performance test results (b) by the cell manufactured in the form.
Figure 5 is an exemplary view showing the appearance of the specimen obtained after the performance test performed with the mandrel produced by the present invention.
6 is a graph obtained by measuring in real time the load applied to the mandrel and the amount of deformation of the cladding tube while controlling the position of the mandrel tip at a constant speed during the room temperature test using the mandrel according to the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것이며, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The drawings attached to the present invention are for convenience of description, and their shape and relative scale may be exaggerated or omitted.
이하, 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described in the accompanying drawings, but the present invention is not limited or limited to the embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템을 나타낸 블럭도이다.1 is a block diagram showing a sintered body-coated tube interaction measuring system of a nuclear fuel rod according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템(1000)은 맨드렐 셀본체(200), 요오드 공급부(300), 분압조절부(400) 및 데이터 저장부(500)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the sintered body-coated tube interaction measuring
상기 맨드렐 셀 본체(200)는 요오드 분위기에서 맨드렐 셀(21) 내의 피복관 시편(30)을 인장시험기(20)를 통해 국부적으로 팽창시켜 맨드렐 셀(21) 내의 상기 피복관 시편(30)에 응력부식균열이 일어나도록 하여 상기 피복관 시편(30)의 변형량을 조절하며, 상기 변형량 데이터를 팽창 게이지(23)를 통해 상기 데이터 저장부(500)로 전송하는 역할을 한다.The
상기 요오드 공급부(300)는 상기 맨드렐 셀본체(200) 내의 요오드를 공급하며, 상기 요오드의 농도를 조절한다.The
상기 유량제어부(400)는 상기 맨드렐 셀본체(200) 내에 공급된 요오드의 분압을 조절한다.The
상기 데이터 저장부(500)는 상기 피복관 시편(30)의 변형된 데이터를 실시간으로 저장한다.
The
보다 구체적으로, 하단에 기재된 도 2를 참조, 상기 맨드렐 셀본체(200)는 맨드렐 셀(21)에 응력을 가하도록 인장시험기(20)에 고정되어 있는 상,하단 지그(90,20), 상기 하단 지그(20)의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편(30), 상기 하단 지그(20)의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵(60) 및 상기 지르코늄 컵(60) 외벽에 구비된 알루미나 슬리브(50)를 포함하며, 상기 상단 지그(90)의 돌출부는 맨드렐 팁(110)이 부착되어 상기 지르코늄 컵(60) 내에 삽입되도록 설계된다.More specifically, referring to FIG. 2 described below, the
상기 맨드렐 셀본체(200)는 고온에서도 상기 피복관 시편(30)의 변형 량 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 변형 측정 센서(23)를 포함한다.The
상기 상단 지그(90) 내부는 요오드 배출구(100)가 형성되도록 설계되어지며, 상기 하단 지그(20) 내부는 요오드 주입구(10)가 형성되도록 설계되어진다.The inside of the
상기 알루미늄 슬리브(50)는 일정한 간격으로 홈(40)이 형성되어, 상기 하단 지그(20)와 상기 상단 지그(90)가 접촉되었을 때, 상기 하단 지그(20)로부터 공급되는 요오드를 상기 상단 지그(90)로 배출되도록 요오드 유동부가 형성된다.
The
상기 유량제어부(400)은 캐리어 가스인 아르곤 가스를 일정 속도로 공급할 수 있는 장치로써 아르곤 봄베(12), 정밀 유량제기(14), 역류 억제 밸브(13), 압력계(15) 등으로 구성될 수 있다. The
상기 요오드 분압 조절부(24)는 항온조에 요오드 분말이 들어있는 플라스크가 삽입되도록 설계되어지며, 상기 유량제어부 출구에 구비되어 항온조의 온도 및 맨드렐 셀 출구에 설치된 요오드 분압 조절기(24)를 통해 정밀하게 제어된다.
The iodine partial
상기 맨드렐 셀본체(200) 상부는 일정하게 요오드 가스의 누출을 방지할 수 있는 홀더(70) 및 스프링(80)이 장착된다.The upper part of the
상기 요오드 공급부(300)는 항온조에 요오드 분말이 들어있는 플라스크를 삽입하여 유량제어부 출구에 설치된다. 상기 요오드 공급부(300)은 항온조의 온도 및 맨드렐 셀 출구에 설치된 요오드 분압조절부에 의해 정밀하게 제어된다. The
상기 맨드렐 셀본체(200)의 외부는 히터 및 온도 조절기(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이는 원자로 노심의 PCI가 발생하는 온도인 320 ~ 350oC 영역에서 온도제어가 최적화될 수 있는 온도를 조절하도록 설계되어진다. The outside of the
상기 데이터 저장부(25)는 시험시 피복관의 온도, 변형량, 맨드렐에 가해지는 하중 등의 값을 실시간으로 저장하며, 제어변수인 맨드렐 팁(110)의 위치도 실시간으로 저장하도록 설계되어진다.
The data storage unit 25 is designed to store in real time the values such as the temperature of the cladding tube, the amount of deformation, the load applied to the mandrel, and also stores the position of the control
도 2는 도 1에 도시된 맨드렐 셀 본체를 확대한 확대도이다.FIG. 2 is an enlarged view illustrating the mandrel cell body illustrated in FIG. 1.
도 2에 도시된 바와 같이, 맨드렐 셀본체(200)는 맨드렐 셀(21)에 응력을 가하도록 인장시험기에 고정되어 있는 상,하단 지그(90,20), 상기 하단 지그(20)의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편(30), 상기 하단 지그(20)의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵(60) 및 상기 지르코늄 컵(60) 외벽에 구비된 알루미나 슬리브(50)를 포함하며, 상기 상단 지그(90)의 돌출부는 맨드렐 팁(110)이 부착되어 상기 지르코늄 컵(60) 내에 삽입되도록 설계되어진다.
As shown in Figure 2, the
보다 구체적으로는, 맨드렐 셀본체(200)는 요오드 분위기에서 피복관 시편을 국부적으로 팽창시켜 응력부식균열이 일어나도록 하여 노외에서 PCI 시험을 할 수 있도록 설계되어지며, 상기 상, 하단 지그(90, 20)는 인장 시험기에 고정되어 맨드렐 셀에 응력을 가할 수 있으며, 하단 지그는 시편(30), 알루미나 슬리브(50) 및 지르코늄 컵(60)을 고정하는 역할을 하며, 상단 지그에는 맨드렐 팁(110)이 설치되어 인장시험기(20)로부터 응력이 가해지면 맨드렐 팁(110)이 지르코늄 컵(60)에 삽입하여 피복관 시편(30)을 반경 방향으로 변형이되게 한다.
More specifically, the
도 3은 종래의 맨드렐과 본 발명의 맨드렐를 비교한 예시도이다.3 is an exemplary view comparing a conventional mandrel and a mandrel of the present invention.
도 3을 참조하면, 종래의 핵 GE형 맨드렐(나)은 피복관 내에 핵연료 소결체와 동일한 크기의 알루미나 슬리브가 있고 그 내부에 지르코늄 슬러그(51)가 있고 하중에 의해 맨드렐 팁(110)이 삽입되면 지르코늄 슬러그(51)가 팽창하여 알루미늄 슬리브(60) 및 피복관 시편(30)을 반경방향으로 밀어내어 피복관 시편(30)을 변형시키게 된다. Referring to FIG. 3, the conventional nuclear GE type mandrel (b) has an alumina sleeve of the same size as the fuel sintered body in a cladding tube, a
그러나 본 발명에 의한 맨드렐(다)에서는 맨드렐 팁(11)이 원통형 지르코늄 컵(60)에 삽입됨에 따라 조금씩 팽창하기 때문에 피복관 시편(30) 변형이 모래시계 반쪽과 같이 형성되어, 실제 PCI에 의한 변형과 유사한 변형을 일으킬 뿐만 아니라 변형 량을 정밀하게 제어할 수가 있다.
However, in the mandrel (C) according to the present invention, because the mandrel tip 11 expands little by little as it is inserted into the
<< 실시예Example /Of 비교예Comparative example > > GEGE 형 brother 맨드렐과With mandrel 본 발명에 의한 According to the present invention 맨드렐의Mandrel 성능 시험Performance test
(1) (One) GEGE 형 brother 맨드렐Mandrel 성능 시험Performance test
도4는 GE형 맨드렐의 개념도(가)와 그 형태로 제작된 셀에 의한 두 가지의 성능시험 결과(나,다)를 보여주는 예시도이다. 4 is an exemplary view showing the conceptual diagram (a) of the GE-type mandrel and two performance test results (b) by the cells manufactured in the form.
도 4를 참조하면, 첫 번째 시편(나)은 하중을 적당히 주어 피복관이 파열되지 않은 모습을 보여주는데, 하중 축을 정확히 일치시키지 못하여 시편이 지그재그 모양으로 굽어있는 것을 보여주고 있다.Referring to FIG. 4, the first specimen (b) shows a state in which the cladding tube is not ruptured due to a moderate load. The specimen is bent in a zigzag shape because the load axes are not exactly matched.
두 번째 시편(다)은 충분한 하중을 주어 시편이 파열된 모습을 보여주고 있으며, 단면 사진에 의하면 내부의 지르코늄 슬리브가 팽창된 모습을 보여주고 있다. 그런데 하부 맨드렐이 오른쪽으로 기울어 슬리브의 일부가 밖으로 돌출되어있고 결과적으로 피복관이 큰 마름모꼴로 파열되어 있는 것을 볼 수 있다. 또한 피복관 변형 형태도 PCI에서처럼 모래시계 형태와는 많은 차이가 있음을 알 수 있다.
The second specimen (c) shows the specimen ruptured with sufficient load, and the cross section shows the internal zirconium sleeve inflated. The lower mandrel, however, tilts to the right, so that part of the sleeve protrudes out, and as a result, the cladding ruptures into a large lozenge. In addition, it can be seen that the deformation of the cladding tube is different from that of the hourglass as in PCI.
(2) 본 발명에 의한 (2) according to the present invention 맨드렐Mandrel 성능 시험Performance test
도5는 본 발명에 의해 제작된 맨드렐을 가지고 실시한 성능시험 후 얻은 시편의 외형을 보여주는 예시도이다. Figure 5 is an exemplary view showing the appearance of the specimen obtained after the performance test performed with the mandrel produced by the present invention.
도3의 (가) 및 (다)에 나타난 바와 같이 시편의 외형이 모래시계의 반쪽모양으로 변형된 핵연료의 팽창에 의한 피복관 파손거동을 잘 보여주고 있다. As shown in (a) and (c) of FIG. 3, the failure behavior of the cladding tube due to the expansion of the nuclear fuel in which the outer shape of the specimen is transformed into the shape of half of the hourglass is shown well.
또한 피복관 표면에 형성된 균열도 노내 PCI에 의해 형성된 균열을 잘 모사하고 있다. 즉 균열의 길이도 반복시험시 일정하게 형성되어 있고, 균열의 폭도 일정하여 재현성이 높은 것을 확인할 수 있다.
In addition, the cracks formed on the surface of the cladding tube well simulate the cracks formed by the in-situ PCI. That is, it can be confirmed that the length of the cracks is also uniformly formed during the repeated test, and the width of the cracks is also constant, so that the reproducibility is high.
<< 실험예Experimental Example 1> 1> 맨드렐Mandrel 팁 위치, 하중 및 Tip position, load and 피복관Cladding 변형 실시간 감시 Transform real-time monitoring
도 6은 본 발명에 의한 맨드렐을 사용한 상온 시험 중 맨드렐 팁의 위치를 일정속도로 제어하면서 맨드렐에 가해지는 하중 및 피복관의 변형량을 실시간으로 측정하여 얻은 그래프이다. 6 is a graph obtained by measuring in real time the load applied to the mandrel and the amount of deformation of the cladding tube while controlling the position of the mandrel tip at a constant speed during the room temperature test using the mandrel according to the present invention.
도 6을 참조하면, PCI 현상 중에 소결체의 팽창에 의한 급격한 초기 응력 증가 및 핵분열 생성 가스의 팽창에 의한 후기 응력증가를 모사하여 초기에는 매우 빠른 맨드렐 삽입속도를, 후기에는 매우 느린 맨드렐 삽입 속도를 유지하면서 하중 및 변형 량을 측정한 것이다. Referring to FIG. 6, a rapid initial stress increase due to expansion of the sintered body and late stress increase due to expansion of the fission product gas during the PCI phenomenon is simulated, and a very fast mandrel insertion rate is initially obtained, and a very slow mandrel insertion rate later. The load and deformation amount were measured while maintaining.
피복관 균열이 있기 전 까지는 맨드렐 삽입에 따라 균일한 속도로 하중이 증가하였으며 피복관 균열발생은 갑작스런 하중 감소로 알 수 있다.
Until the cladding was cracked, the load increased at a uniform rate as the mandrel was inserted.
약 8kN ~ 9kN 영역에서 피복관이 일정속도로 변형되었으며 9kN 이후에 균열이 발생된 후에는 피복관 변형속도가 급격히 증가함을 볼 수 있다. 즉, 균열이 발생하기 전, 피복관 변형량이 약 2% 이내에서는 맨드렐 팁의 위치를 일정하게 이동시킴으로써 피복관 변형량 제어가 가능하였으며, 고연소도 피복관 PCI 성능시험에 유용하게 사용할 수 있음을 알 수 있다.
In the region of about 8kN ~ 9kN, the cladding was deformed at a constant speed, and after 9kN cracking occurred, the cladding strain rapidly increased. In other words, before the crack occurred, it was possible to control the cladding strain by moving the position of the mandrel tip constant within 2% of the cladding strain, and it can be seen that it can be useful for high-combustion cladding PCI performance test. .
따라서, 본 발명에 따르면, 이동거리가 긴 핀 타입 맨드렐을 적용함으로써 두께가 0.57mm의 매우 얇은 핵연료 피복관에 가해지는 변형 량을 미세하게 제어할 수 있고 핵연료 소결체 펠릿이 모래시계모양으로 팽윤하는 모형을 정확히 모사할 수 있을 뿐만 아니라 피복관의 다양한 변형속도제어와 실시간 측정 및 요오드의 농도조절 등 원자로 노 내에서 수행되는 압력상승 시험 시 PCI 영향인자들을 노외에서 정확히 모사할 수 있다.
Therefore, according to the present invention, by applying a pin-type mandrel with a long moving distance, it is possible to finely control the amount of deformation applied to a very thin fuel cladding tube having a thickness of 0.57 mm, and the fuel sintered pellets swell in an hourglass shape. In addition to the accurate simulation, PCI influencers can be accurately simulated outside of the furnace during pressure rise tests performed in reactor furnaces, including control of various strain rates of cladding, real-time measurements, and iodine concentration control.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
Although the above has been illustrated and described with respect to the preferred embodiments of the present invention, the present invention is not limited to the above-described specific embodiments, it is common in the technical field to which the invention belongs without departing from the spirit of the invention claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or the prospect of the present invention.
10: 요오드 주입구 12: 아르곤 봄베
13: 역류 억제 밸브 14: 정밀 유량조절 밸브
15: 압력계 20: 하단 지그
21: 맨드렐 셀 22: 온도 조절기
23: 변형량 측정 센서 24: 분압조절부
25: 데이터 저장부 30: 피복관 시편
50: 알루미나 슬리브 60: 지르코늄 컵
70: 홀더 80: 스프링
90: 상단 지그 110: 맨드렐 팁
200: 맨드렐 셀본체 300: 요오드 공급부
1000: 시스템10: iodine inlet 12: argon cylinder
13: check valve 14: flow control valve
15: pressure gauge 20: lower jig
21: mandrel cell 22: thermostat
23: strain measurement sensor 24: partial pressure control unit
25: data storage 30: sheath tube specimen
50: alumina sleeve 60: zirconium cup
70: holder 80: spring
90: top jig 110: mandrel tip
200: mandrel cell body 300: iodine supply unit
1000: system
Claims (20)
상기 맨드렐 셀본체 내의 요오드를 공급하며, 상기 요오드의 농도를 조절하는 요오드 공급부;
상기 맨드렐 셀본체 내에 공급된 요오드의 분압을 조절하는 분압조절부; 및
상기 피복관 시편의 변형된 데이터를 실시간으로 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
A mandrel cell body for locally expanding the cladding tube specimen in an iodine atmosphere to cause stress corrosion cracking in the cladding tube specimen to control the amount of deformation of the cladding tube specimen;
An iodine supply unit for supplying iodine in the mandrel cell body and controlling the concentration of the iodine;
A partial pressure adjusting unit for adjusting a partial pressure of iodine supplied into the mandrel cell body; And
Sintered body-coated tube interaction measurement system of a nuclear fuel rod comprising a data storage for storing the modified data of the cladding tube specimen in real time.
상기 맨드렐 셀본체는,
맨드렐 셀에 응력을 가하도록 인장시험기에 고정되어 있는 상,하단 지그;
상기 하단 지그의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편;
상기 하단 지그의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵; 및
상기 지르코늄 컵 외벽에 구비된 알루미나 슬리브를 포함하며,
상기 상단 지그의 돌출부는 맨드렐 팁이 부착되어 상기 지르코늄 컵 내에 삽입되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 1,
The mandrel cell body,
Upper and lower jigs fixed to the tensile tester to stress the mandrel cell;
A cladding tube specimen inserted into the protrusion of the lower jig;
A zirconium cup provided on the protrusion of the lower jig; And
It includes an alumina sleeve provided on the outer wall of the zirconium cup,
The projection of the top jig is designed to be inserted into the zirconium cup with a mandrel tip attached to the sinter-coated tube interaction measurement system of the nuclear fuel rod.
상기 맨드렐 셀본체는,
고온에서도 상기 피복관 시편의 변형 량 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 측정 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정시스템.
The method of claim 2,
The mandrel cell body,
A sintered body-coated tube interaction measuring system of a nuclear fuel rod, characterized in that it comprises a measuring sensor capable of precisely measuring the deformation amount of the cladding tube specimen even at high temperature in real time.
상기 상단 지그 내부는,
요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 2,
Inside the upper jig,
A sintered-coated tube interaction measurement system for a nuclear fuel rod, characterized in that it is designed to form an iodine outlet.
상기 하단 지그 내부는,
요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 2,
Inside the lower jig,
A sintered-coated tube interaction measurement system for a nuclear fuel rod, characterized in that it is designed to form an iodine outlet.
상기 알루미늄 슬리브는,
일정한 간격으로 홈(40)이 형성되어, 상기 하단 지그부와 상기 상단 지그부가 접촉되었을 때, 상기 하단 지그부로부터 공급되는 요오드를 상기 상단 지그부로 배출되도록 요오드 유동부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 2,
The aluminum sleeve,
The groove 40 is formed at regular intervals, and when the lower jig portion and the upper jig portion contact, the iodine flow portion is formed so that the iodine supplied from the lower jig portion is discharged to the upper jig portion. Sintered-coated tube interaction measurement system of rods.
상기 유량제어부는,
캐리어 가스인 아르곤 가스를 일정한 속도로 공급하며, 아르곤 봄베, 정밀 유량 제어기, 역류 억제 밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 1,
The flow control unit,
A sintered body-coated tube interaction measurement system of a nuclear fuel rod, which supplies argon gas, which is a carrier gas, at a constant speed, and is composed of an argon cylinder, a precision flow controller, and a backflow check valve.
상기 요오드 공급부는,
항온조에 요오드 분말이 들어있는 플라스크가 삽입되도록 설계되어지며, 상기 유량제어부 출구에 구비되어 항온조의 온도 및 맨드렐 셀 출구에 설치된 요오드 분압 조절기를 통해 정밀하게 제어되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 1,
The iodine supply unit,
A flask containing iodine powder is inserted into a thermostatic chamber, and the sintered body-coated tube of the nuclear fuel rod, characterized in that the flow control unit is provided at the outlet and precisely controlled by the temperature of the thermostat and the iodine partial pressure regulator installed at the outlet of the mandrel cell. Interaction Measurement System.
상기 맨드렐 셀본체 상부는,
일정하게 요오드 가스의 누출을 방지할 수 있는 홀더 및 스프링이 장착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 시스템.
The method of claim 2,
The upper mandrel cell body,
A sinter-coated tube interaction measurement system for a nuclear fuel rod, characterized by a holder and a spring mounted to prevent the leakage of iodine gas constantly.
상기 하단 지그의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편;
상기 하단 지그의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵; 및
상기 지르코늄 컵 외벽에 구비된 알루미나 슬리브를 포함하며,
상기 상단 지그의 돌출부는 맨드렐 팁이 부착되어 상기 지르코늄 컵 내에 삽입되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
Upper and lower jigs fixed to the tensile tester to stress the mandrel cell;
A cladding tube specimen inserted into the protrusion of the lower jig;
A zirconium cup provided on the protrusion of the lower jig; And
It includes an alumina sleeve provided on the outer wall of the zirconium cup,
The protrusion of the upper jig is designed to be inserted into the zirconium cup with a mandrel tip attached to the sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell.
상기 맨드렐 셀은,
고온에서도 상기 피복관 시편의 변형 량 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 측정 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
The method of claim 10,
The mandrel cell,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it comprises a measuring sensor capable of accurately measuring the deformation amount of the cladding tube specimen even at high temperature in real time.
상기 상단 지그 내부는,
요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
The method of claim 10,
Inside the upper jig,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it is designed to form an iodine outlet.
상기 하단 지그 내부는,
요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
The method of claim 10,
Inside the lower jig,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it is designed to form an iodine outlet.
상기 알루미늄 슬리브는,
일정한 간격으로 형성되어, 상기 하단 지그부와 상기 상단 지그부가 접촉되었을 때, 상기 하단 지그부로부터 공급되는 요오드를 상기 상단 지그부로 배출되도록 요오드 유동부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
The method of claim 10,
The aluminum sleeve,
Sintered body-coated tube of the nuclear fuel rod, characterized in that formed at regular intervals, the iodine flow portion is formed to discharge the iodine supplied from the lower jig portion to the upper jig portion when the lower jig portion and the upper jig portion contacted Action Measured Mandrel Cells.
상기 맨드렐 셀본체 상부는,
일정하게 요오드 가스의 누출을 방지할 수 있는 홀더 및 스프링이 장착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
The method of claim 10,
The upper mandrel cell body,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it is equipped with a holder and a spring which can prevent the leakage of iodine gas constantly.
상기 하단 지그의 돌출부에 삽입되는 피복관 시편;
상기 하단 지그의 돌출부 상부에 구비된 지르코늄 컵; 및
상기 지르코늄 컵 외벽에 구비된 알루미나 슬리브를 포함하며,
상기 알루미늄 슬리브는 일정한 간격으로 형성되어, 상기 하단 지그부와 상기 상단 지그부가 접촉되었을 때, 상기 하단 지그부로부터 공급되는 요오드를 상기 상단 지그부로 배출되도록 요오드 유동부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
Upper and lower jigs fixed to the tensile tester to stress the mandrel cell;
A cladding tube specimen inserted into the protrusion of the lower jig;
A zirconium cup provided on the protrusion of the lower jig; And
It includes an alumina sleeve provided on the outer wall of the zirconium cup,
The aluminum sleeve is formed at regular intervals, when the lower jig portion and the upper jig portion is in contact, the iodine flow portion is characterized in that the iodine flow portion is formed to discharge the iodine supplied from the lower jig portion to the upper jig portion Sintered Body-Coating Interaction Measurement Mandrel Cells.
상기 맨드렐 셀은,
고온에서도 상기 피복관 시편의 변형 량 변화를 실시간으로 정밀하게 측정할 수 있는 측정 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
17. The method of claim 16,
The mandrel cell,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it comprises a measuring sensor capable of accurately measuring the deformation amount of the cladding tube specimen even at high temperature in real time.
상기 상단 지그 내부는,
요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
17. The method of claim 16,
Inside the upper jig,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it is designed to form an iodine outlet.
상기 하단 지그 내부는,
요오드 배출구가 형성되도록 설계되어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀.
17. The method of claim 16,
Inside the lower jig,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it is designed to form an iodine outlet.
상기 상부 지그 내부는,
일정하게 요오드 가스의 누출을 방지할 수 있는 홀더 및 스프링이 장착되는 것을 특징으로 하는 핵연료 봉의 소결체-피복관 상호작용 측정 맨드렐 셀. 17. The method of claim 16,
Inside the upper jig,
A sintered body-coated tube interaction measurement mandrel cell of a nuclear fuel rod, characterized in that it is equipped with a holder and a spring which can prevent the leakage of iodine gas constantly.
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