KR20130069424A - 내진 강화 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 내진 강화 조립체는, 일단이 상기 상부구조물에 힌지 결합되는 로드와, 상기 로드의 타단에 형성되고, 상기 로드를 직경방향으로 가로질러 연장되는 결합핀 및 원자로 격납건물의 격벽에 설치되고, 상기 타단과 결합되는 브라켓을 포함하고, 상기 브라켓은, 상기 로드가 내측에 안착되도록 서로 대면하여 평행하게 연장되는 제1 및 제2 멤버 및 상기 결합핀과 결합되도록 상기 제1 및 제2 멤버에 각각 형성되는 홈부를 포함함으로써, 브라켓을 더블 브라켓 형상으로 설계하여 인장 및 비틀림 하중에 강하다.

Description

내진 강화 조립체{ANTI-SEISMIC REINFORCEMENT ASSEMBLY}
본 발명의 일실시예들은 지진 발생시 원자력 상부 구조물을 지지할 수 있는 조립체에 관한 것이다.
일반적으로 원자로(原子爐, nuclear reactor)는 연쇄핵분열반응의 결과 순간적으로 방출되는 다량의 질량결손(質量缺損) 에너지가 방출되도록 연쇄반응을 제어하여 핵분열에서 발생하는 열에너지를 동력으로 사용하도록 하는 장치를 말한다.
원자로가 설치되는 적어도 일부 영역에서 지진이 발생할 수 있는데, 잠재적으로 큰 매그니튜드의 지진이 발생하는 경우에, 원자로 구조물이 넘어지거나 파괴되는 어떠한 위험도 방지할 수 있도록 하는 내진 강화 조립체가 고려될 수 있다.
최근에 발생한 지진에 의한 원자로 파손 사례로 알 수 있듯이, 갈수록 원자로의 내진 설계 요건이 강화될 수 있으므로, 보다 큰 규모의 지진에도 안전하게 원자로 구조물을 지지할 수 있는 수단이 고려될 수 있다.
본 발명의 일 목적은 보다 향상된 구조를 갖는 내진 강화 조립체를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 내진 강화 조립체는, 일단이 상기 상부구조물에 힌지 결합되는 로드와, 상기 로드의 타단에 형성되고, 상기 로드를 직경방향으로 가로질러 연장되는 결합핀 및 원자로 격납건물의 격벽에 설치되고, 상기 타단과 결합되는 브라켓을 포함하고, 상기 브라켓은, 상기 로드가 내측에 안착되도록 서로 대면하여 평행하게 연장되는 제1 및 제2 멤버 및 상기 결합핀과 결합되도록 상기 제1 및 제2 멤버에 각각 형성되는 홈부를 포함할 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 홈부를 구성하는 양 측면은 수직면으로부터 상기 상부구조물을 향하여 5°내지 20°만큼 기울어지도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 결합핀과의 접촉 면적을 넓히기 위해 상기 홈부는 내측으로 갈수록 그 단면의 면적이 증가하도록 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 홈은 서로 대면하는 제1 면과 제2 면을 구비하고, 상기 상부구조물에 근접한 제1 면의 면적은 상기 제2 면보다 더 넓게 형성될 수 있다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 브라켓은 상부가 개구(open)되고, 하부가 닫혀(close)지며, 상기 상부 구조물의 비틀림 거동시 이를 지지할 수 있도록 상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부는 상부에 비해 그 두께가 확장되도록 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 내진 강화 조립체는, 브라켓을 더블 브라켓 형상으로 설계하여 인장 및 비틀림 하중에 강하다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 원자로 상부구조물의 개략적인 구성을 나타내는 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내진 지지판, 내진 지지링, 로드 및 브라켓이 결합한 상태를 도시한 개념도.
도 3은 도 2의 로드 및 브라켓이 결합핀에 의해 결합한 상태에서의 개념도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따르는 브라켓의 사시도, 평면도 및 측면도.
이하, 본 발명에 관련된 내진 강화 조립체에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
일반적으로 원자로는 핵분열반응의 결과 발생하는 질량결손(質量缺損) 에너지를 이용하는 장치이다. 연소열에의해 자동으로 연소가 확대되는 화력로와 달리 원자로는 연료의 핵분열 때에 방출되는 중성자(中性子)를 매개체로 하여 핵분열 반응을 수행한다.
원자로의 핵분열 반응은 핵연료에 흡수되는 중성자수를 제어함으로써 핵연료의 연소를 조절할 수 있는데, 원자로 내의 핵분열을 지속시키기 위해서는 핵분열시 방출되는 중성자 중에서 다시 핵연료에 흡수되어 재차 핵분열을 일으키는 수가 최소한 1개 이상이어야 한다. 만약 그 수가 1일 때에는 핵분열반응은 감소하지도 증가하지도 않고 일정하게 유지되며, 이 상태를 원자로의 임계(臨界)라고 한다. 또한 그 수가 1을 초과할 때는 핵분열반응의 수도 점점 증가하게 되는데 이를 초임계상태(超臨界狀態)라 하며, 그 반대의 경우를 미임계상태(未臨界狀態)라 한다.
일반적으로 원자로를 일정한 출력으로 운전할 때는 이를 임계상태로 두거나 약간의 임계초과상태로 하여 여분의 중성자를 제어봉에 흡수시키는 방법을 활용한다. 1회의 핵분열에서 방출되는 중성자수는 우라늄 235의 경우 평균 2개 정도이지만, 이들 모두가 재차 핵분열에 기여하는 것은 아니고 원자로 외부로의 누설, 또는 비핵분열성 물질에의 흡수 등에 의해 그 수가 감소하므로 원자로를 계속 운전하기 위해서는 이러한 중성자 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 중성자의 손실을 방지하기 위한 방법으로는 핵분열성 물질의 양을 증가시키거나 핵분열시 방출되는 고속중성자를 열중성자준위로 감속시켜 흡수확률을 높이는 방법, 노심외부(爐心外部)로의 누설량을 최소화할 수 있도록 원자로의 크기를 충분히 크게 하는 방법, 그리고 다른 비핵분열성 물질에의 흡수를 최소로 하는 방법 등이 있다. 핵분열의 순간에 방출되는 중성자는 에너지가 높은 고속중성자로서 핵연료에 흡수될 확률이 극히 낮으므로, 이를 감속시켜 흡수확률을 높이는 것이 중요하다. 원자로의 제어는 카드뮴이나 붕소 등과 같이 중성자 흡수 단면적이 큰 재질을 노심 내에 집어넣거나 빼냄으로써 중성자수를 조절하여 제어하게 되며, 또한 반사체(反射體)나 감속재의 양을 변화시키는 방법을 사용하기도 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 일체형 원자로 상부 구조물(100)은 팬 모듈(110), 상부 모듈(120), 중앙부 모듈(130), 하부 모듈(140)을 포함할 수 있다.
도 1 을 참조하면 상기 팬 모듈(110)은 원자로 헤드의 상부에 위치하되, 냉각팬(111), 리프팅 구조물(112), 에어 플레넘(113)이 일체로 형성될 수 있다. 상기 에어 플레넘(113)의 하단에는 상기 상부 모듈(120)이 결합될 수 있다. 상기 냉각팬(111)은 상기 원자로 상부구조물(100) 내부의 냉각을 원활하게 수행하기 위해 설치되는 장치로 후술하게 될 공기의 유동을 조절하게 된다. 상기 리프팅 구조물(112)은 삼각대와 쉐클로 형성될 수 있으며, 삼각대는 상기 일체형 상부구조물(100) 전체를 인양하기 위한 것이고 삼각대의 상단에 연결된 쉐클에는 크레인(300)이 연결되어 인양 작업을 수행할 수 있다. 상기 에어 플레넘(113)은 상기 냉각팬(111)과 상기 리프팅 구조물(112)을 지지하며 일체로 형성될 수 있다. 상기 에어 플레넘(113)의 하단에는 링 빔이 수평 방향으로 결합되어 구비되고 링 빔의 하단에는 상기 상부 모듈(120)이 결합될 수 있다.
도 1 을 참조하면 상기 상부 모듈(120)의 내부에는 상하가 개방되도록 원통형으로 형성되는 상부 슈라우드 플레이트(121)와, 공기의 유로를 형성하기 위해 상기 상부 슈라우드 플레이트(121)의 내주면을 따라 소정 간격으로 이격되도록 고정되는 상부 배플(122)이 형성될 수 있다. 상기 중앙부 모듈(130)과 상기 하부 모듈(140)도 상기 상부 모듈(120)과 마찬가지로 중앙부 슈라우드 플레이트(131) 및 중앙부 배플(132), 하부 슈라우드 플레이트(141) 및 하부 배플(142)이 형성됨은 같다. 다만, 상기 중앙부 모듈(130)에는 상기 중앙부 슈라우드 플레이트(131)와 상기 중앙부 배플(132)을 모두 관통하도록 공기 유입부(135)가 구비되는 것이 바람직하다.
도 1 을 참조하면 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141)는 상기 배플(122, 132, 142)의 외부를 감싸도록 형성되어 각 모듈의 내부에 구비되는 구조물을 보호하기 위한 커버 역할을 수행한다. 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141)와 상기 배플(122, 132, 142)은 일단이 상기 상부 모듈(120)의 상단에 결합되고 타단이 상기 하부 모듈(140)의 하단에 결합되도록 수직 방향으로 형성되는 서포트 칼럼(105)에 고정되는 것이 바람직하다. 상기 서포트 칼럼(105)은 상기 원자로 상부구조물(100)을 수직 방향으로 지지하기 위한 구조물로 강성 유지를 위해 H빔이 활용될 수 있다. 상기 하부 배플(142)의 내부에는 제어봉 구동장치와 제어봉이 구비되는 것이 바람직하다.
상기 냉각팬(111)에 의해 발생한 공기 유동은 상기 공기 유입부(135)를 통해 공기를 흡입하고 흡입된 공기는 상기 배플(122, 132, 142)과 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141) 사이의 유동 공간을 통해 이동하도록 하여 제어봉 구동장치와 원자로 헤드의 냉각을 용이하게 할 수 있다.
원자로 헤드의 상부에 구비되는 상기 원자로 상부구조물(100)은 핵연료를 교체할 때 제어봉 구동장치와 원자로헤드를 인양하는 기능을 갖는다. 상기 하부 모듈(140)의 내부에 설치되는 제어봉 구동장치는 원자로 노심의 핵반응 속도를 조절하기 위한 제어봉을 삽입하고 인출하도록 하는 장치이다. 상기 제어봉 구동장치는 다수개의 제어봉이 삽입되고 이탈될 수 있도록 허니컴 형태의 공간이 천공되는 튜브 형태일 수 있다. 제어봉은 제어봉 구동의 내부에 삽입된 상태로 상하 방향으로 유동하면서 원자로 노심의 핵반응 속도를 조절한다. 상기 제어봉 구동장치에는 제어봉의 위치를 감지하기 위한 제어봉 위치지시센서가 구비될 수 있고, 제어봉을 구동하기 위한 동력원이 포함될 수 있다.
상기 원자로 상부구조물(100)에서 제어봉 구동장치와 관련된 작업이 요구되는 경우가 많은데, 제어봉 구동 위한 동력원의 교체, 수리 및 유지 보수 작업, 제어봉 위치지시센서의 교체, 수리 및 유지 보수 작업, 제어봉 위치지시센서의 설치시 캘리브레이션(calibration) 작업 등이 이에 해당될 수 있다. 종래에는 이러한 제어봉 구동장치와 관련된 작업을 수행하기 위해 상기 냉각팬(111), 상기 리프팅 구조물(112)과 상기 에어 플레넘(113)을 차례로 분리하여 먼저 인양하고, 그 아래에 구비되는 케이블 지지유닛을 해체하여 제거한 후 상기 배플(122, 132, 142)과 상기 슈라우드 플레이트(121, 131, 141)를 분리해야 했다. 이처럼 상기 원자로 상부구조물(100)의 개별적인 구성장치를 하나하나 분해하여 분리 또는 제거를 하는 작업은, 첫째, 작업 시간과 노동력이 많이 소모되어 비효율적이고, 둘째, 구성장치를 분해하는 과정에서 구성품이 변형되거나 파손될 위험이 있으며, 셋째, 분해 과정에서의 구성품의 변형 또는 파손에 의해 제어봉 구동장치와 관련된 작업을 완료한 후 다시 조립하는 과정에서 결합이 어려운 문제가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 상기 팬 모듈(110), 상기 상부 모듈(120), 상기 중앙부 모듈(130), 상기 하부 모듈(140)을 일체로 형성하는 일체형 원자로 상부구조물(IHA, Integrated headassembly)을 활용하게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 내진 지지판, 내진 지지링, 로드 및 브라켓이 결합한 상태를 도시한 개념도이고, 도 3은 도 2의 로드 및 브라켓이 결합핀(231)에 의해 결합한 상태에서의 개념도이다.
도시한 바와 같이 내진 강화 조립체는 로드(230)와 브라켓(240)을 포함한다.
로드(230)의 일단은 상부구조물(100)에 힌지 결합된다. 보다 자세하게는 내진 지지판(210)을 감싸도록 형성되는 내진 지지링(220)에 결합된다. 내진 지지판(210)은 상부 구조물(100)에 포함되며, 상부 구조물(100)의 일부를 구성한다. 내진 지지판(210)은 상기 팬 모듈(110), 상기 상부 모듈(120), 상기 중앙부 모듈(130), 상기 하부 모듈(140)의 사이에 적어도 어느 하나가 배치될 수 있다.
로드(230)는 내진 지지링(220)을 따라 적어도 셋이상으로 형성된다. 바람직하게는 로드(230)가 내진 지지링(220)을 따라 90도 간격으로 4개가 배치될 수 있다. 내진 지지링(220)과 로드(230)는 힌지 결합되어 힌지축을 기준으로 회동가능하게 형성된다. 로드(230)의 일단은 힌지 결합되고, 타단은 브라켓(240)에 결합된다.
브라켓(240)에 결합되는 로드(230)의 타단에 로드(230)를 직경방향으로 가로질러 연장되는 결합핀(231)이 형성된다.
또한, 로드(230)는 브라켓(240)에 결합될 수 있다. 로드(230)는 그 길이가 늘어나거나 줄어들도록 형성될 수 있다. 즉, 로드는 각각 중공을 구비한 복수의 바디들을 포함하여 형성되고, 일 예로 낚시대를 구성하는 바디들처럼 바디들 중 어느 하나의 바디가 다른 바디에 형성된 홀에 삽입되어 슬라이드 이동하도록 형성될 수 있다.
즉, 로드의 길이가 늘어나거나 줄어들 수 있도록 로드는 길이 조절 가능한 다단의 바디들로 형성되며, 어느 하나의 바디가 다른 바디에 대하여 인입 또는 인출되고, 인입 또는 인출된 상태에서 바디들이 서로 고정될 수 있다. 이 때, 각 바디들은 일측에서 타측까지 완만하게 테이퍼지도록 형성된다.
브라켓(240)은 상측을 향하여 개구(Open)되고, 하측을 향하여 닫혀(Close)지도록 형성될 수 있다. 즉, 브라켓은 결합되는 로드의 하중을 지지하기 위하여 이를 지지하도록 형성되는데, 이를 위하여 하측을 향하여 닫힌 구조를 갖는다. 그리고, 상부구조물(100)에 결합된 로드의 일측을 중심으로 로드가 회전하여 브라켓에 결합될 수 있도록 브라켓은 상측을 향하여는 개구되는 구조를 갖는다. 이로 인해, 로드를 브라켓에 용이하게 탈착시킬 수 있다.
브라켓의 일면(246)은 원자로 격납건물 격벽에 고정된다. 브라켓의 일면(246)은 원자로 격납건물 격벽에 용접에 의하여 고정될 수 있지만, 일 예로 스크류와 같은 체결수단을 이용하여 브라켓과 격벽을 관통하도록 체결수단을 삽입함으로써, 브라켓을 원자로 격납건물 격벽에 고정시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따르는 브라켓(240)의 사시도, 평면도 및 측면도이다.
브라켓(240)은 핵연료재장전기 및 상부안내구조물 등 주변 기기와의 간섭이 없도록 설치되어야 한다. 또한 원자로 및 원자로 상부 구조물(100)등의 열 팽창을 고려하여 설계되어야 한다. 따라서, 로드(230)와 접촉하는 브라켓(240)의 일부분은 로드(230)와 동일한 열팽창 계수를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명에 따르는 브라켓(240)은 인장하중에 견딜 수 있도록 설계되며, 핀 접촉 면적을 최대로 넓혀 응력분포를 분산시켰다. 또한 주변 기기와의 간섭을 피하기 위하여 브라켓(240)의 크기를 최소화하였으며, 일정 강도 이상을 유지하기 위해 서로 대면하도록 형성되는 제1 멤버 및 제2 멤버를 구비하는 더블 브라켓 형태로 설계하였다. 이 때, 더블 브라켓의 비틀림 방지를 위해 제1 멤버와 제2 멤버의 하부는 서로 연결하고, 그 두께를 증가시켰다.
브라켓(240)을 상면에서 봤을 때, 열십자(+)형태의 개구부(241)를 구비한다. 즉, 개구부(241)는 가로 방향으로 형성된 홈(247)과 세로 방향으로 형성된 홈(244, 245)으로 이루어지는 데, 가로로 방향으로 형성된 홈(247)에는 로드(230)가 안착될 수 있으며, 세로 방향으로 형성된 홈(244, 245, 이하 홈부라 한다)에는 결합핀(231)이 안착될 수 있다.
가로 방향으로 형성되는 홈(247)의 양측벽을 형성하는 것은 제1 멤버(242)와 제2 멤버(243)이다. 제1 멤버(242)와 제2 멤버(243)는 서로 대면하여 평행하게 연장된다.
제1 멤버(242)와 제2 멤버(243)는 각각 홈부(244, 245)를 구비한다. 홈부(244, 245)를 정의하는 양 측면은 수직면으로부터 상부구조물(100)을 향하여 소정의 각도로 기울어지도록 형성될 수 있다. 일 예로, 소정의 각도는 5°내지 20°가 될 수 있다. 이로 인해, 상부구조물(100)의 종방향(상하방향) 거동시 상부구조물(100)을 지지할 수 있다.
테스트 결과에 따르면, 5°보다 작은 경우 종방향 거동에 취약하고, 20°보다 큰 경우 횡방향 거동에 취약함을 알 수 있었다.
홈부(244, 245)는 내측으로 갈수록 그 단면적이 증가하여 응력을 분산시킬 수 있도록 형성된다. 홈부(244, 245)는 서로 대면하는 제1 면(244a, 245a)과 제2 면(244b, 245b)을 구비하는데, 상부구조물(100)에 근접한 제1 면(244a, 245a)의 면적은 상기 제2 면(244b, 245b)보다 더 넓게 형성되어 상부구조물(100)의 횡방향(측방향) 거동시 상부구조물(100)을 지지할 수 있다.
상기와 같이 설명된 내진 강화 조립체는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 지진 발생시 원자로 상부구조물의 종횡방향 거동을 지지하도록 형성되는 내진 강화 조립체에 있어서,
    일단이 상기 상부구조물에 힌지 결합되는 로드;
    상기 로드의 타단에 형성되고, 상기 로드를 직경방향으로 가로질러 연장되는 결합핀; 및 원자로 격납건물의 격벽에 설치되고, 상기 타단과 결합되는 브라켓을 포함하고,
    상기 브라켓은,
    상기 로드가 내측에 안착되도록 서로 대면하여 평행하게 연장되는 제1 및 제2 멤버; 및
    상기 결합핀과 결합되도록 상기 제1 및 제2 멤버에 각각 형성되는 홈부를 포함하고,
    상기 홈부를 구성하는 양 측면은 수직면으로부터 상기 상부구조물을 향하여 소정의 각도로 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 홈부를 구성하는 양 측면은 수직면으로부터 상기 상부구조물을 향하여 5°내지 20°만큼 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결합핀과의 접촉 면적을 넓히기 위해 상기 홈부는 내측으로 갈수록 그 단면의 면적이 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 서로 대면하는 제1 면과 제2 면을 구비하고,
    상기 상부구조물에 근접한 제1 면의 면적은 상기 제2 면보다 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  5. 지진 발생시 원자로 상부구조물의 종횡방향 거동을 지지하도록 형성되는 내진 강화 조립체에 있어서,
    일단이 상기 상부구조물에 힌지 결합되는 로드;
    상기 로드의 타단에 형성되고, 상기 로드를 직경방향으로 가로질러 연장되는 결합핀; 및
    원자로 격납건물의 격벽에 설치되고, 상기 타단과 결합되는 브라켓을 포함하고,
    상기 브라켓은,
    상기 로드가 내측에 안착되도록 서로 대면하여 평행하게 연장되는 제1 및 제2 멤버; 및
    상기 결합핀과 결합되도록 상기 제1 및 제2 멤버에 각각 형성되는 홈부를 포함하고,
    상기 브라켓은 상부가 개구(open)되고, 하부가 닫혀(close)지며,
    상기 상부 구조물의 비틀림 거동시 이를 지지할 수 있도록 상기 제1 멤버와 제2 멤버의 하부는 상부에 비해 그 두께가 확장되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 결합핀과의 접촉 면적을 넓히기 위해 상기 홈부는 내측으로 갈수록 그 단면의 면적이 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 홈은 서로 대면하는 제1 면과 제2 면을 구비하고,
    상기 상부구조물에 근접한 제1 면의 면적은 상기 제2 면보다 더 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 홈부를 구성하는 양 측면은 수직면으로부터 상기 상부구조물을 향하여 5°내지 20°만큼 기울어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내진 강화 조립체.
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