KR20180099272A - 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기 - Google Patents

Abstract

사용후 핵연료에 대한 냉각 효율을 높이고 임계도 제어에 우수한, 사용후 핵연료를 저장하는 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장용기에 있어서, 외측 케이스를 이루는 캐스크, 사용후 핵연료 집합체가 저장되며 상기 캐스크 내부에 배열하여 적재되는 복수개의 바스켓, 상기 캐스크의 개방된 상단에 설치되어 캐스크를 밀봉하는 리드, 상기 각 바스켓에 설치되고 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 제거하는 냉각부, 상기 리드에 설치되고 상기 냉각부와 연결되어 냉각부에서 전도된 열을 외부로 방열하는 방열부를 포함하는 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장 용기를 제공한다.

Description

경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기{SPENT NUCLEAR FUEL DRY STORAGE CASK}

본 발명은 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기에 관한 것이다.

일반적으로, 경수로(Light Water Reactor)에서 원자력 발전용으로 사용된 후의 핵연료(이하 '사용후 핵연료'라 한다)는 최종 처분 이전에 특수 설계된 저장 용기에 수납된 상태에서 저장 장소에 보관된다.

사용후 핵연료의 저장 방법은 크게 습식 저장 방법과 건식 저장 방법으로 구분된다. 최근 들어 용량 확장과 장기 관리 측면에서 유리한 건식 저장 방법이 주로 채택되어 이용되고 있다. 사용후 핵연료의 건식 저장은 습식 저장 방식과 비교하여 우수한 안정성, 저렴한 운영비 및 저장 용량의 증대 및 우수한 확장성 등의 장점을 갖고 있다.

건식 저장 방식은 사용후 핵연료 집합체가 적재된 복수개의 바스켓을 금속 용기인 캐스크 내에 수용하여 저장하는 구조로 되어 있다.

사용후 핵연료는 많은 양의 열중성자가 발생된다. 이에 건식 저장 용기는 장시간 동안 사용후 핵연료를 안정적으로 보관할 수 있도록 보다 우수한 냉각 효율 및 임계도(criticality) 제어가 요구된다.

이에, 사용후 핵연료에 대한 냉각 효율을 높이고 임계도 제어에 우수한 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장 용기를 제공한다.

또한, 저장용기 내부에서 발생되는 잔열의 제거 효율을 높여, 저장용기 내부 온도를 저감시킬 수 있는 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장 용기를 제공한다.

또한, 저장용기 구조재의 고온 열화, 부식 현상을 저감시킬 수 있도록 된 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장 용기를 제공한다.

본 구현예의 저장용기는, 사용후 핵연료를 저장하는 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장용기에 있어서, 외측 케이스를 이루는 캐스크, 사용후 핵연료 집합체가 저장되며 상기 캐스크 내부에 배열하여 적재되는 복수개의 바스켓, 상기 캐스크의 개방된 상단에 설치되어 캐스크를 밀봉하는 리드, 상기 각 바스켓에 설치되고 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 제거하는 냉각부, 상기 리드에 설치되고 상기 냉각부와 연결되어 냉각부에서 전도된 열을 외부로 방열하는 방열부를 포함할 수 있다.

상기 캐스크 내부에 축방향을 따라 간격을 두고 설치되어 각 바스켓의 위치 및 간격을 유지하는 스페이서를 더 포함할 수 있다.

상기 캐스크 하단에 위치하는 충격 완충재를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각부는 각 바스켓 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 방열부로 전도하는 복수개의 히트파이프를 포함할 수 있다.

상기 히트파이프는 상기 바스켓 내부에 수용된 사용후 핵연료 집합체의 계측관 또는 안내관 위치에 설치될 수 있다.

상기 히트파이프 내부에 구비되어 중성자를 흡수하는 중성자 흡수체를 더 포함할 수 있다.

상기 방열부는 상기 리드가 내부에 밀폐된 공간을 갖는 통 구조로 이루어지고, 상기 히트파이프는 상기 리드 내부 공간과 연통되어 작동 유체가 상기 리드 내부 공간으로 유통되어 열을 전도하는 구조일 수 있다.

상기 히트파이프는 내주면에 이격되고 표면에 홀이 형성된 베플이 설치되어, 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체를 구분하는 구조일 수 있다.

상기 리드는 외주부를 따라 설치되어 캐스크 상단에 체결되는 복수개의 볼트를 구비하여 캐스크 상단을 밀봉하는 구조일 수 있다.

본 구현예의 따르면, 중성자 흡수체 및 냉각재를 통해 경수로용 건식 저장 용기 내에 적재된 사용후 핵연료의 냉각 성능 및 임계도 제어 효과를 높일 수 있게 된다.

이에, 사용후 핵연료에서 발생된 잔열을 외부 전력 공급없이 효율적으로 제거하여, 20년 이상 장시간 저장하는 동안 저장용기의 고온 열화, 부식 현상 등을 저감시켜 장기 건전성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 중성자 흡수체를 통한 임계도 제어에 의해 사용후 핵연료 저장 기간 중 발생 가능한 재임계 사고를 방지할 수 있으며, 건식 저장 용기의 안전성을 향상시키고 방사성 물질 및 방사선 누출의 위험을 저감할 수 있게 된다.

또한, 냉각 성능 향상과 임계도 제어가 효과적으로 이루어져, 보다 많은 양의 사용후 핵연료를 저장용기 내의 좁은 공간에 효율적으로 저장할 수 있어, 추가 시설의 구축없이 안전하고 신속한 용량 확장 효과를 기대할 수 있다.

또한, 충분한 냉각 성능과 임계도 제어 성능을 가진 소내 독립적으로 설치 가능한 경수로용 건식 저장용기를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기의 구성을 도시한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기의 일부 구성을 보다 상세하게 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 “포함하는” 의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기를 도시하고 있으며, 도 2는 상기 저장용기의 열전도 구조를 상세하게 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장용기(100)는, 외측 케이스를 이루는 캐스크(10), 사용후 핵연료 집합체(20)가 저장되며 상기 캐스크 내부에 배열하여 적재되는 복수개의 바스켓(30), 상기 캐스크의 개방된 상단에 설치되어 캐스크를 밀봉하는 리드(40), 상기 각 바스켓에 설치되고 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 외부로 전도하여 제거하는 냉각부(50), 상기 리드에 설치되고 상기 냉각부와 연결되어 냉각부에서 전도된 열을 외부로 방열하는 방열부(60)를 포함한다.

본 실시예에서, 상기 냉각부(50)는 상기 리드(40)에 연결되어 바스켓(30)에서 흡수한 열을 리드(40)로 전도하여, 외기와 접하고 있는 리드(40)를 통해 외부로 방열하는 구조로 되어 있다.

이에, 바스켓(30) 내부의 사용후 핵연료 집합체 잔열이 냉각부(50)를 통해 신속하게 리드(40)로 전달되어 대면적의 리드(40)를 통해 외부로 방열처리됨으로써, 잔열 제거 효율을 높이고 저장용기(100)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이하 각 구성부를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 캐스크(10)는 내부에 바스켓(30)이 수용되는 공간을 구비하며 저장용기의 외부 케이스를 이룬다. 상기 캐스크(10)는 원통형태로 이루어질 수 있으며, 그 형태는 다양하게 변형가능하다. 본 실시예에서, 상기 캐스크(10)는 금속 재질로 형성될 수 있다. 상기 캐스크(10)는 사용후 핵연료 집합체(20)가 수용된 바스켓(30)을 감싸 바스켓(30) 내부의 사용후 핵연료 집합체로부터 발생된 열과 방사선을 차폐한다.

상기 캐스크(10)의 하단에는 캐스크(10)에 가해지는 충격을 흡수하여 완충시키기 위한 충격 완충재(12)가 설치될 수 있다. 상기 캐스크(10)의 내부에는 복수개의 바스켓(30)을 지지하여 그 위치 및 간격을 유지하는 스페이서(14)가 설치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 스페이서(14)는 캐스크(10)의 내주면에 설치되며, 캐스크(10)의 축방향을 따라 복수개가 간격을 두고 배치된다. 상기 스페이서(14)는 판 구조물로 외측 선단은 캐스크(10) 내주면에 접하고 내측 선단은 배열된 바스켓(30)의 외측면에 접하여 바스켓(30)의 유동을 방지하게 된다.

상기 바스켓(30)은 캐스크(10) 축방향을 따라 연장되고 내부에 수용 공간을 갖는 구조로 되어 있다. 상기 바스켓(30)의 내부 공간에는 사용후 핵연료 집합체(20)가 저장된다. 복수개의 바스켓(30)이 캐스크(10) 내부에 배열되어 적재된다. 복수개의 바스켓(30)은 캐스크(10) 내주면에 설치된 스페이서(14)에 의해 지지되어 그 배열 상태를 유지한다.

상기 바스켓(30)에 저장되는 사용후 핵연료 집합체(20)는 계측관 또는 안내관이 구비된다. 상기 사용후 핵연료 집합체(20)의 계측관이나 안내관 위치에 상기 냉각부(50)의 히트파이프(52)가 축방향으로 관통하여 설치될 수 있다.

계측관과 안내관은 내부가 빈 관로이다. 핵연료 집합체가 원자로 내부에 장전되면 계측관을 통해 다수의 계측기가 위치하여 원자로 정보를 측정한다. 또한, 안내관을 통해서 제어봉이 상하 위치로 움직여 반응도 및 원자로 출력을 제어하게 된다. 이에, 상기 핵연료 집합체의 계측관 또는 안내관은 핵연료 집합체에서 핵연료봉이 위치하지 않는 빈 채널로 이해할 수 있다.

이와 같이, 히트파이프가 계측관과 안내관을 통해 사용후 핵연료 집합체 내부에 위치함으로써, 바스켓 내부에서 사용후 핵연료의 잔열을 효과적으로 흡수하여 제거할 수 있게 된다.

상기 캐스크(10)의 상단은 내부로 바스켓(30)을 장입할 수 있도록 개방되어 있다. 캐스크(10)의 개방된 상단에 리드(40)가 설치되어 캐스크(10) 내부를 밀봉한다. 상기 리드(40)는 외주부를 따라 캐스크(10)와의 조립을 위한 복수개의 볼트(42)가 장착된다. 이에, 리드를 캐스크 상단에 설치하고 볼트를 체결하여 캐스크의 개방된 상단을 리드로 밀봉할 수 있게 된다. 상기 볼트(42)는 리드의 내부 공간을 지나도록 길게 연장되어 캐스크 상단에 체결 가능하게 설치된다.

본 실시예에서 상기 리드(40)는 냉각부(50)에서 전도된 열을 신속하게 외부로 방열시키는 구조로 되어 있다. 이를 위해, 상기 리드(40)는 열을 보다 효과적으로 외부로 방열시키기 위한 방열부(60)를 구비한다. 방열부(60)의 구조에 대해서는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.

상기 리드(40)는 바스켓(30) 상부에서 냉각부(50)를 매개로 바스켓(30)과 연결된다. 이에, 각 바스켓(30)에서 발생되는 열은 냉각부(50)를 통해 흡수되고 리드(40)로 신속하게 전달되어 리드(40)의 방열부(60)를 통해 외부로 방열처리된다.

본 실시예에서, 상기 냉각부(50)는 바스켓(30) 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되고, 각 바스켓(30)의 잔열을 흡수하여 상기 리드(40)의 방열부(60)로 전도하는 복수개의 히트파이프(52)를 포함할 수 있다.

상기 히트파이프(52)는 캐스크(10) 내부에 배열된 각 바스켓(30)의 배열 상태와 동일하게 배치되어 각 바스켓(30)에 연결된다. 상기 히트파이프(52)는 바스켓(30) 내부에 수용된 사용후 핵연료 집합체(20)의 계측관 또는 안내관 위치에 설치될 수 있다. 상기 각 바스켓(30)에 설치된 히트파이프(52)는 캐스크(10) 상부의 리드(40)와 연결된다. 이에, 히트파이프(52)에서 흡수된 열은 상부로 전달되어 리드(40)로 전도되고 리드(40)에 구비된 방열부(60)를 통해 외부로 신속하게 방열 처리된다.

상기 히트파이프(52)는 바스켓(30)의 열을 흡수하여 신속하게 리드(40)로 전달하는 히트파이프(heat pipe)로써 작용을 한다. 이에, 바스켓(30) 내부에 저장된 사용후 핵연료 집합체(20)로부터 발산되는 잔열이 바스켓(30)에 설치된 각 히트파이프를 통해 리드(40)로 전도되어 제거된다.

상기 히트파이프(52)는 내부에 프레온, 물, 나트륨 금속 등의 작동유체가 수용된 관 구조물로, 작동유체가 액체와 증기로 상변화되면서 빠른 속도로 열을 전달하는 구조로 되어 있다. 히트파이프(heat pipe)의 구조와 기능에 대해서는 이미 많은 기술이 개시되어 있으므로 이하 상세한 설명은 생략한다.

이에, 히트파이프(52) 내에 수용된 작동유체는 바스켓(30) 내부에 수용된 사용후 핵연료 집합체(20)의 잔열을 흡수하면서 가열되고, 가열된 작동유체는 증기 상태로 상변화되어 상부로 빠른 속도로 이동하여 리드(40)로 열을 전달하게 된다. 히트파이프(52) 상부로 이동된 증기 상태의 작동유체는 방열되면서 응축되고, 응축된 액체는 다시 중력에 의해 관로를 따라 하강되어 잔열이 발생되는 바스켓(30)으로 이동된다. 히트파이프(52)는 이러한 싸이클을 반복하면서, 바스켓(30)에서 발생되는 잔열을 흡수하여 냉각시키게 된다.

상기 히트파이프(52)는 바스켓(30)의 중심부를 관통하여 설치됨에 따라 바스켓(30) 내부에 저장된 사용후 핵연료 집합체(20)의 잔열이 히트파이프(52)로 전도되어 효과적으로 제거될 수 있다. 상기 각 히트파이프(52)는 상부로 연장되어 바스켓(30) 위쪽에 배치된 리드(40)의 하단에 연결된다.

또한, 상기 히트파이프(52)는 내부에 중성자 흡수체(54)가 구비된다. 상기 중성자 흡수체(54)는 중성자 흡수 반응 단면적 큰 물질로, 예를 들어, 상기 중성자 흡수체(54)는 보론화합물일 수 있다. 상기 중성자 흡수체(54)는 바스켓(30) 내에 저장된 사용후 핵연료 집합체(20)로부터 빠른 속도로 발산되는 중성자를 흡수하여 임계도를 낮출 수 있게 된다. 이와 같이, 중심 히트 파이프(52) 내에 중성자 흡수체(54)를 내장함에 따라 바스켓(30)의 내부 잔열 제거와 더불어 임계도를 효과적으로 제어할 수 있게 된다.

본 실시예에서, 상기 방열부(60)는 리드(40)가 내부에 밀폐된 공간(62)을 갖는 통 구조로 이루어지고, 상기 히트파이프(52)는 상기 리드(40) 내부 공간과 연통되어 작동 유체가 상기 리드(40) 내부 공간으로 유통되어 열을 전도하는 구조로 되어 있다.

이에, 냉각부(50)와의 열교환 효율을 높여 냉각부(50)로부터 전달된 열을 보다 신속하게 외부로 방열 시킬 수 있게 된다. 상기 리드(40)는 열전도율이 높은 재질로 이루어질 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서, 상기 리드(40)는 내부가 빈 밀폐된 공간(62)을 구비한 구조로, 상기 히트파이프(52)는 리드(40)의 내부 공간(62)과 연통된다. 방열부를 구성하는 리드(40)의 내부 공간(62)은 예를 들어, 진공 상태로 히트파이프(52)와 연통 설치될 수 있다.

이에, 히트파이프(52)의 흡열에 의해 상부로 이동된 증기 상태의 작동유체는 히트파이프(52) 상단을 통해 연통되어 있는 리드(40) 내부 공간(62)으로 유입된다. 따라서, 증기 상태의 작동유체는 리드(40)의 내부 공간에서 리드(40) 전체 면과 접하여 열교환이 이루어지게 된다.

즉, 히트파이프(52)와 비교하여 상대적으로 대면적을 갖는 리드(40)와 작동유체 사이의 열교환을 통해 히트파이프(52)의 상부로 전도된 열이 급격하게 리드(40)로 전도된다. 리드(40)로 전달된 열은 외기와 접하고 있는 리드(40) 전면을 통해 외부로 방열된다. 리드(40)와 열교환되면서 응축된 작동유체는 히트파이프(52)를 통해 다시 아래로 내려가 바스켓(30) 내부 잔열을 흡수하게 된다.

이와 같이, 내부 공간을 갖는 리드(40)와 히트파이프(52)를 연통한 방열부(60) 구조를 통해 리드(40)와 히트파이프(52)의 작동유체 간의 열교환을 수행함으로써, 바스켓(30) 내부 잔열 제거 효율을 극대화할 수 있게 된다.

본 실시예에 따른 냉각부(50)는 상기 히트파이프(52) 내부에 설치되는 베플(56)을 더 포함할 수 있다. 상기 베플(56)은 히트파이프(52) 내주면에 이격되고 표면에는 홀(58)이 형성된 관 구조물로, 히트파이프(52) 내부에서 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체 사이의 유로를 구분시키는 구조로 되어 있다. 상기 베플(56)은 히트파이프(52) 중심에서 리드(40) 내부 공간(62)으로 돌출 형성된다. 베플(56)에 형성된 홀(58)을 통해 증기 상태의 작동유체가 배출되어 리드(40) 내부 공간으로 유입된다.

이와 같이, 베플(56)에 의해 히트파이프(52) 내에서 상변화된 작동유체의 유로가 구분되어 상하 이동이 보다 원활해짐으로써, 열전달 효과를 보다 높일 수 있게 된다. 또한, 상기 베플(56)을 구비함으로써, 히트파이프(52)의 직경에 상관없이 히트파이프(52) 내에서 상변화된 작동유체의 유로 구분이 명확하게 이루어질 수 있다. 따라서, 다양한 크기의 히트파이프(52) 설계를 통하여 열전달 면적을 확보하고 잔열 제거 효율을 높일 수 있게 된다 .

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

10 : 캐스크 20 : 사용후 핵연료 집합체
30 : 바스켓 40 : 리드
42 : 볼트 50 : 냉각부
52 : 히트파이프 54 : 중성자 흡수체
56 : 베플 58 : 홀
60 : 방열부 62 : 공간

Claims (9)

1. 사용후 핵연료를 저장하는 경수로용 사용후 핵연료 건식 저장용기에 있어서,
   외측 케이스를 이루는 캐스크, 사용후 핵연료 집합체가 저장되며 상기 캐스크 내부에 배열하여 적재되는 복수개의 바스켓, 상기 캐스크의 개방된 상단에 설치되어 캐스크를 밀봉하는 리드, 상기 각 바스켓에 설치되고 사용후 핵연료의 잔열을 흡수하여 제거하는 냉각부, 및 상기 리드에 설치되고 상기 냉각부와 연결되어 냉각부에서 전도된 열을 외부로 방열하는 방열부를 포함하는 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐스크 내부에 축방향을 따라 간격을 두고 설치되어 각 바스켓의 위치 및 간격을 유지하는 스페이서를 더 포함하는 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 캐스크 하단에 위치하는 충격 완충재를 더 포함하는 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각부는 각 바스켓 축방향을 따라 중심부를 관통하여 연장 설치되고 바스켓의 잔열을 흡수하여 상기 방열부로 전도하는 복수개의 히트파이프를 포함하는 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 히트파이프는 상기 바스켓 내부에 수용된 사용후 핵연료 집합체의 계측관 또는 안내관 위치에 설치되는 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방열부는 상기 리드가 내부에 밀폐된 공간을 갖는 통 구조로 이루어지고, 상기 히트파이프는 상기 리드 내부 공간과 연통되어 작동 유체가 상기 리드 내부 공간으로 유통되어 열을 전도하는 구조의 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 히트파이프 내부에 구비되어 중성자를 흡수하는 중성자 흡수체를 더 포함하는 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 히트파이프는 내주면에 이격되고 표면에 홀이 형성된 베플이 설치되어, 액체 상태의 작동유체와 증기 상태의 작동유체를 구분하는 구조의 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 리드는 외주부를 따라 설치되어 캐스크 상단에 체결되는 복수개의 볼트를 구비하여 캐스크 상단을 밀봉하는 구조의 경수로용 사용 후 핵연료 건식 저장용기.

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