JP6808765B2 - 高速炉の制御棒案内管 - Google Patents

Description

本発明は、高速炉の制御棒案内管に関する。

高速炉の原子炉容器内には、燃料集合体に加えて、高速炉の出力を制御する制御棒が格納されている。この制御棒は、案内管内に収容されており、高速炉の通常運転時には案内管内に流入する冷却材によって冷却される。

高速炉において、炉心の損傷が発生するおそれがある。炉心が損傷した場合には、燃料集合体の溶融燃料の再臨界を防止する観点から、溶融燃料を案内管を経由して原子炉容器内のデブリコアキャッチャーに排出させることが提案されている（下記の特許文献１参照）。

特開２０１６−１２５８３７号公報

特許文献１に記載の高速炉において、通常運転時には冷却材が案内管の下端の開口から流路部を介して流入する（下流入方式）一方で、炉心損傷時には溶融燃料が案内管内のダッシュポットの薄肉部を溶断することで溶融燃料が前記流路部を介して前記開口から排出される。上記の高速炉においては、ダッシュポットの下方の流路部が、冷却材及び溶融燃料の通路を兼ねている。

ところで、高速炉の原子炉容器の構造によっては、冷却材が案内管の外周面から流入する方式（横流入方式）を採用するケースが想定される。この場合、冷却材の流入口及び溶融燃料の排出口を兼ねる開口を案内管の外周面に変更すると、冷却材の案内管内への流入は可能であるが、溶融燃料を前記開口から適切に排出させることができない。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、冷却材の様々な流入方式に対応しつつ溶融燃料を適切に排出できる制御棒案内管を提供することを目的とする。

本発明の一の態様においては、高速炉の制御棒が収容される第１管部と、前記第１管部の下方に設けられ、前記第１管部と連通している第２管部と、前記第２管部に設けられ、流入口から流入した冷却材が前記第１管部へ向かって流れる冷却材流路部と、前記第２管部に前記冷却材流路部とは別に設けられ、前記第２管部の端部開口と繋がっている空洞部と、前記空洞部内に設けられ、前記空洞部を塞いでいる仕切り部と、前記仕切り部に形成され、前記空洞部の前記仕切り部よりも上方に流入した溶融燃料の熱により溶断可能な薄肉部と、を備える、高速炉の制御棒案内管を提供する。

また、前記制御棒案内管は、前記第２管部の外形を成す外筒と、前記外筒の内側に設けられた内筒と、を更に備え、前記冷却材流路部は、前記内筒と前記外筒に挟まれた空間部であり、前記空洞部は、前記内筒に囲まれた空間部であることとしてもよい。

また、前記外筒の外周面に、前記冷却材が前記冷却材流路部に流入する流入口が形成されていることとしてもよい。

また、前記第２管部は、前記内筒の端部と前記外筒の端部とを連結している端部連結部を有し、前記端部連結部に、前記冷却材が前記冷却材流路部に流入する流入口が形成されていることとしてもよい。

また、前記仕切り部は、前記内筒の壁に連結されており、前記薄肉部は、前記仕切り部の前記壁との連結位置よりも下方に位置していることとしてもよい。

また、前記仕切り部は、円形平板状の底板部と、前記底板部の外縁から上方へ延出して前記内筒の壁と連結している連結部と、を有し、前記薄肉部は、前記連結部において前記壁との連結位置よりも下方に形成されていることとしてもよい。

また、前記空洞部の前記仕切り部より上方の領域は、前記第１管部と連通しており、前記連結部において前記薄肉部よりも上方に、前記冷却材流路部と前記空洞部を連通する連通口が形成されていることとしてもよい。

また、前記冷却材流路部の圧力は、前記空洞部における前記仕切り部よりも下方の領域の圧力よりも高いこととしてもよい。

また、前記連結部は、円周方向に沿って切れ込みが形成された切れ込み部を有し、前記薄肉部は、前記切れ込み部の底部であることとしてもよい。

本発明によれば、冷却材の様々な流入方式に対応しつつ溶融燃料を適切に排出できるという効果を奏する。

本発明の一の実施形態に係る高速炉の炉心１の概略構成を説明するための模式図である。 制御棒集合体４の構成を説明するための模式図である。 案内管１０の詳細構成を説明するための模式図である。 図３の部分Ａの拡大図である。 図４のＩ−Ｉ断面図である。 溶融燃料が案内管１０内に侵入する様子を説明するための模式図である。 薄肉部５６が溶断された後の溶融燃料の流れを説明するための模式図である。 案内管１０の第１変形例を説明するための模式図である。 案内管１０の第２変形例を説明するための模式図である。

＜高速炉の概略構成＞
本発明の一の実施形態に係る高速炉の概略構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１は、一の実施形態に係る高速炉の炉心１の概略構成を説明するための模式図である。高速炉は、例えば、ウランやプルトニウム等を燃料として核分裂連鎖反応を制御しながら持続させて、エネルギーを取り出す。高速炉の原子炉容器内の中心部分には、核分裂連鎖反応が起こる炉心１が設けられており、高速炉の炉心１は、図１に示すように、燃料集合体３と、制御棒集合体４と有する。なお、図１では、説明の便宜上、制御棒集合体４が黒塗りの六角形で示されている。

高速炉の炉心１では、複数の燃料集合体３及び制御棒集合体４が、図１に示すように規則正しく配列されている。制御棒集合体４は、複数の燃料集合体３に対して所定の割合で配置されている。

燃料集合体３は、複数の燃料棒を束ねた燃料体である。個々の燃料棒は、ペレット状の燃料を管内に収容している。炉心１内には、図１に示すように、複数の燃料集合体３が整列されている。

制御棒集合体４は、高速炉の出力を制御するためのものである。制御棒集合体４は、図１に示すように複数の燃料集合体３の間に配置されており、少なくとも１つの燃料集合体３に隣接している。複数の制御棒集合体４の構成は同様であるので、以下では図２を参照して、一の制御棒集合体４の構成を説明する。

図２は、制御棒集合体４の構成を説明するための模式図である。制御棒集合体４は、図２に示すように、制御棒５と、案内管１０とを含む。

制御棒５は、例えば、炉心１に出し入れされることで、核分裂を制御する。
案内管１０は、筒状に形成されており、制御棒５を収容する制御棒案内管である。案内管１０は、軸方向が鉛直方向に沿うように設けられている。案内管１０は、制御棒５が昇降される際に制御棒５を案内する機能を有する。案内管１０は、高速炉の原子炉容器内に設けられた接続管７に連結されている。接続管７は、例えば円筒形状であり、高速炉の原子炉容器の支持部材８ａ、８ｂによって支持されている。案内管１０は、下端１２にて接続管７の上端と嵌合している。接続管７の下方（例えば、高速炉の原子炉容器の底部）には、冷却部９が設けられている。冷却部９は、例えば図１に示す複数の制御棒集合体４の下方に位置しているデブリコアキャッチャーである。

高速炉の通常運転時には、案内管１０内に冷却材が流入し、当該冷却材によって制御棒５が冷却される。冷却材は、例えばポンプによって高速炉の原子炉容器内に送り込まれている。高速炉の原子炉容器内に送り込まれた冷却材は、案内管１０に形成された流入口１３から流入する。案内管１０に流入した冷却材は、案内管１０の上部の流出口１４から流出する。冷却材は、一例として液体金属ナトリウムであるが、これに限定されない。なお、ポンプによって冷却材を案内管１０内に送り込むために、図２の案内管１０の流入口１３の周辺は高圧領域となっている。一方で、接続管７の内部は低圧領域となっている。

本実施形態の案内管１０は、様々な構造の高速炉に格納可能である。例えば、案内管１０は、中間熱交換器及びポンプを高速炉の原子炉容器内に収容したタンク型高速炉や、中間熱交換器及びポンプを原子炉容器外に設けたループ型高速炉に格納されうる。なお、高速炉の構造によっては、案内管１０に冷却材を流入させる方式が異なりうる。例えば、案内管１０の外周面から冷却材を流入させる方式（横流入方式と呼ぶ）や、案内管１０の下端面から冷却材を流入させる方式（下流入方式と呼ぶ）が採用されうる。

高速炉においては、炉心損傷事故が発生するおそれがある。そこで、本実施形態では、炉心損傷事故が発生した場合には、燃料集合体３の溶融燃料を制御棒集合体４の案内管１０に侵入させた後に、案内管１０から溶融燃料を排出させる。排出された溶融燃料は、接続管７を通過した後に冷却部９において冷却される。これにより、溶融燃料が高速炉の原子炉容器を溶かして外部に漏れることを防止する。

また、本実施形態では、詳細は後述するが、案内管１０内において冷却材が流れる流路と溶融燃料を排出させる通路とを独立させるように、例えば案内管１０が二重管構造（外筒及び内筒）となっている。これにより、冷却材の様々な流入方式に対応しつつ、炉心損傷時には燃料集合体３の溶融燃料を適切に排出できる。

＜案内管１０の詳細構成＞
案内管１０の詳細構成について、図３〜図５を参照しながら説明する。

図３は、案内管１０の詳細構成を説明するための模式図である。図４は、図３の部分Ａの拡大図である。図５は、図４のＩ−Ｉ断面図である。なお、図３では、冷却材の流れが破線の矢印で示されている。

案内管１０は、筒状に形成されている。案内管１０の軸方向一端（下端１２）には、溶融燃料を排出できるように開口１２ａが形成されている。案内管１０は、図３に示すように、外筒２０と、内筒２４と、第１管部３０と、第２管部４０と、冷却材流路部４２と、空洞部４４と、仕切り部５０とを有する。

外筒２０は、案内管１０の外形を成している円筒である。外筒２０は、金属材料（例えばステンレス鋼）から成る。外筒２０の厚さは一定ではなく、厚さが小さい部分（外筒２０の上側の部分）と、厚さが大きい部分（外筒２０の下側の部分）とがある。外筒２０の外周面には、冷却材が流入する流入口１３が形成されている。流入口１３は、外筒２０の外周面において、周方向に所定間隔で複数形成されている。

内筒２４は、外筒２０内に設けられた円筒である。すなわち、案内管１０の下部は、二重管構成となっている。内筒２４は、外筒２０と同じ金属材料から成る。内筒２４は、外筒２０の軸方向一端（下端）側の部分に設けられている。内筒２４は、一端側開口２５ａと、フランジ部２５ｃとを有する。

一端側開口２５ａは、内筒２４の軸方向一端（下端）にて開口となっている部分である。フランジ部２５ｃは、内筒２４の下端から半径方向に曲げられた部分であり、外筒２０に例えば溶接によって接合されている。

第１管部３０は、図３に示すように案内管１０の上側の部分である。第１管部３０は、制御棒５を収容する空間を成している収容部３２を有する。収容部３２には冷却材が流入し、当該冷却材によって制御棒５が冷却される。第１管部３０は、案内管１０において外筒２０の上側の部分によって形成された部分である。なお、燃料集合体３の燃料棒は、概ね第１管部３０の高さに位置している。

第２管部４０は、図３に示すように案内管１０の下側の部分である。第２管部４０は、第１管部３０（収容部３２）と連通するように第１管部３０の下方に設けられている。第２管部４０の内径は、第１管部３０の内径よりも小さい。第２管部４０は、案内管１０において外筒２０及び内筒２４によって形成された部分である。すなわち、第２管部４０は、第１管部３０とは異なり、二重管構成となっている。

冷却材流路部４２は、図３に示すように第２管部４０内に設けられており、図３に示すように冷却材が流れる通路である。冷却材流路部４２は、流入口１３から流入した冷却材を第１管部３０（収容部３２）へ向かわせるように、形成されている。冷却材流路部４２は、外筒２０と内筒２４に挟まれた空間部である。

空洞部４４は、図３に示すように、第２管部４０内に冷却材流路部４２とは別に設けられている。空洞部４４は、炉心損傷時に、案内管１０の収容部３２に侵入した溶融燃料を排出させる通路となる。すなわち、本実施形態では、冷却材が流れる通路（冷却材流路部４２）と溶融燃料を排出させる通路（空洞部４４）とが、独立している。空洞部４４は、ここでは内筒２４に囲まれた空間部である。空洞部４４は、第２管部４０の端部開口である開口１２ａ（すなわち、内筒２４の一端側開口２５ａ）と繋がっている。このため、溶融燃料は、開口１２ａから排出される。

仕切り部５０は、図３に示すように、空洞部４４（すなわち内筒２４）内に設けられている。仕切り部５０は、内筒２４の壁に連結されており、空洞部４４を塞いでいる。具体的には、仕切り部５０は、図４に示すように、空洞部４４の上端から所定距離だけ中央側の部分を塞いでいる。これにより、空洞部４４は、仕切り部５０によって２つの領域（すなわち、上領域４４ａと下領域４４ｂ）に仕切られている。上領域４４ａは、仕切り部５０より上方の領域であり、下領域４４ｂは、仕切り部５０より下方の領域である。そして、上領域４４ａは、図４に示すように、第１管部３０（具体的には、第１管部３０内の収容部３２）と連通している。

案内管１０内において、冷却材流路部４２の圧力は、空洞部４４における仕切り部５０よりも下方の下領域４４ｂの圧力よりも高くなっている。また、収容部３２の圧力は、冷却材流路部４２の圧力より低いが、下領域４４ｂの圧力より大きい。このような圧力関係において、仕切り部５０は、冷却材流路部４２を流れてきた冷却材が下領域４４ｂに向かうことを規制する。これにより、冷却材が、図４に示す上領域４４ａを経由して収容部３２へ向かい（図３参照）、制御棒５を適切に冷却できる。

仕切り部５０は、図４に示すように、Ｕ字状の断面形状を有する。仕切り部５０は、内筒２４と同じ金属材料（ステンレス鋼）から成り、ここでは内筒２４と接合されている。また、仕切り部５０の一部は、炉心損傷時に溶融燃料により溶断可能である。仕切り部５０は、図４に示すように、底板部５２と、周壁部５４と、薄肉部５６と、連通口５８と、係合部５９とを有する。

底板部５２は、円形平板状に形成されている。底板部５２の直径は、内筒２４の内径よりも小さい。底板部５２の厚さは、例えば上領域４４ａの冷却材の圧力に耐えられるように設定されている。

周壁部５４は、図４に示すように、底板部５２の外縁から上方へ延出しており、内筒２４と連結している連結部である。周壁部５４は、ここでは円筒状に形成された円筒壁である。周壁部５４は、内筒２４の軸方向他端（上端）と連結している。炉心損傷時に第１管部３０内に侵入した溶融燃料は、周壁部５４に囲まれた空間を通過して底板部５２に向かう。そして、溶融燃料は、底板部５２上に堆積される。

薄肉部５６は、図４に示すように周壁部５４に形成されており、周壁部５４の厚さが薄い部分である。薄肉部５６は、仕切り部５０の内筒２４の壁との連結位置よりも下方に位置している。ここでは、周壁部５４の連結位置よりも下方の部分の全体が、薄肉部５６となっている。薄肉部５６は、周壁部５４における連結位置の上方の領域（すなわち連通口５８の側の領域）の厚さよりも薄い。薄肉部５６は、例えば炉心損傷時に空洞部４４（仕切り部５０）に流入した溶融燃料の熱により溶断可能な部分である。具体的には、底板部５２上に積もった溶融燃料が薄肉部５６に接することで、薄肉部５６が溶断する。薄肉部５６が溶断すると周壁部５４が破断し、底板部５２が下方へ落下する。これにより、仕切り部５０に溶融燃料が通過する開口（図７に示す開口５１）が形成される。

連通口５８は、図４に示すように、冷却材流路部４２と空洞部４４を連通する開口である。連通口５８は、周壁部５４において薄肉部５６よりも上方に形成されている。冷却材流路部４２を流れた冷却材は、連通口５８を通過して上領域４４ａへ向かう。連通口５８は、図５に示すように、周壁部５４の周方向において所定間隔で複数形成されている。連通口５８の個数や連通口５８の開口面積を調整することで、上領域４４ａへ流れる冷却材の流量を調整できる。

係合部５９は、第１管部３０の底部３４と係合している。係合部５９は、周壁部５４の上端と連結されており、係合部５９の外径は周壁部５４の外径よりも大きい。係合部５９は、例えばボルトによって底部３４に固定されている。

＜炉心損傷時の溶融燃料の流れ＞
高速炉において炉心損傷が発生した際の溶融燃料の流れについて、図６及び図７を参照しながら説明する。

図６は、溶融燃料が案内管１０内に侵入する様子を説明するための模式図である。図７は、薄肉部５６が溶断された後の溶融燃料の流れを説明するための模式図である。なお、図６及び図７では、溶融燃料の侵入方向が太線の矢印で示されている。

ここでは、高速炉において、燃料集合体３（図１）が燃料の過熱により融解する炉心損傷が発生したものとする。すると、燃料集合体３の溶融燃料が、隣接する制御棒集合体４の案内管１０の壁を溶かして、案内管１０内に侵入する。具体的には、図６に示すように、溶融燃料が、第１管部３０の壁を溶かして収容部３２内に侵入する。収容部３２に侵入した溶融燃料は、収容部３２内を落下して第２管部４０の空洞部４４の上領域４４ａに向かい、仕切り部５０の底板部５２上に積もる（図６参照）。

その後、底板部５２に積もった溶融燃料の熱によって、仕切り部５０の薄肉部５６が溶断する。具体的には、底板部５２に積もった溶融燃料が薄肉部５６に接することで、薄肉部５６に熱が伝達され、周壁部５４に形成された薄肉部５６が溶断する。薄肉部５６が溶断すると、周壁部５４が破断する。これにより、図７に示すように、底板部５２が内筒２４内を落下する。この結果、底板部５２があった箇所が開口５１になり、溶融燃料が開口５１を通過して内筒２４内を落下する。

内筒２４内を落下した溶融燃料は、案内管１０が嵌合された接続管７（図２）を通過して、接続管７の下方に設けられた冷却部９（図２）に至る。そして、冷却部９に至った溶融燃料は、冷却部９によって冷却される。すなわち、高速炉の原子炉容器内で、溶融燃料が冷却される。これにより、炉心損傷時に、溶融燃料が高速炉の原子炉容器を溶かして外部に漏れることを防止できる。

＜変形例＞
上述した構成の案内管１０の変形例について、説明する。以下では、上述した実施形態と構成が異なる部分のみを説明し、上述した実施形態と同じ構成の部分の説明は省略する。

図８は、案内管１０の第１変形例を説明するための模式図である。上述した実施形態では、薄肉部５６が周壁部５４の連結位置より下方の全体に形成されていた（図４参照）。これに対して、第１変形例においては、周壁部５４の切れ込み部１５５の底部が、薄肉部１５６となっている。切れ込み部１５５は、周壁部５４の外周面に周方向に沿って切れ込みが１周形成されている。また、薄肉部１５６は、例えば、周壁部５４の中央よりも底板部５２側に形成されている。このような薄肉部１５６を設ける場合には、薄肉部を有する周壁部５４を製作しやすいと共に、溶断可能な薄肉部を容易に形成できる。

なお、上述した実施形態では、薄肉部５６が、周壁部５４に形成されていることとしたが、これに限定されない。例えば、薄肉部５６は、底板部５２に形成されていてもよい。この場合にも、薄肉部５６が溶融燃料の熱で溶断することで、底板部５２があった箇所に開口が形成されるので、溶融燃料を排出できる。

また、上述した実施形態では、第２管部４０が内筒２４と外筒２０の二重管構成であり、内筒２４の内側に空洞部４４が設けられ、内筒２４の外側に冷却材流路部４２が設けられている（すなわち、冷却材流路部４２が空洞部４４の周囲に設けられた）こととしたが、これに限定されない。例えば、案内管１０内において、冷却材流路部４２と空洞部４４が互いに離れて設けられていてもよい。

図９は、案内管１０の第２変形例を説明するための模式図である。上述した実施形態では、外筒２０の外周面に、冷却材が流入する流入口１３が形成されていた。これに対して、第２変形例においては、内筒２４の端部と外筒２０の端部とを連結している端部連結部であるフランジ部２５ｃに、冷却材が流入する流入口１３が形成されている。流入口１３は、例えば、フランジ部２５ｃにおいて周方向に所定間隔で複数形成されている。第２変形例の場合には、案内管１０の下方から案内管１０内へ流入する（下流入方式）。

＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態の高速炉の案内管１０において、制御棒５が収容される第１管部３０と連通している第２管部４０には、図３に示すように、冷却材が第１管部３０へ向かって流れる冷却材流路部４２と、開口１２ａと繋がっている空洞部４４とが別々に設けられている。空洞部４４内には、空洞部４４を塞いでいる仕切り部５０が設けられている。そして、仕切り部５０には、図４に示すように、空洞部４４の仕切り部５０よりも上方（具体的には、空洞部４４の上領域４４ａ）に流入した溶融燃料の熱により溶断可能な薄肉部５６が形成されている。

上記の構成により、高速炉の通常運転時には、流入口１３から流入した冷却材が、冷却材流路部４２を経由して第１管部３０に流れて、制御棒５を適切に冷却できる。また、冷却材が単独で流れる冷却材流路部４２を設けることで、流入口１３を第２管部４０の外周面と端面のいずれかに配置できるので、冷却材の様々な流入方式（すなわち、横流入方式や下流入方式）に対応できる。一方で、炉心損傷時には、第１管部３０の周壁から侵入した溶融燃料が、空洞部４４内の仕切り部５０の薄肉部５６を溶断することで、仕切り部５０の一部（ここでは底板部５２）が落下し、当該一部があった箇所が溶融燃料を通過させる開口５１（図７参照）になる。これにより、溶融燃料が、空洞部４４を落下して一端側開口２５ａから排出される。このように、本実施形態の案内管１０によれば、冷却材の様々な流入方式に対応しつつ溶融燃料を適切に排出できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。

１ 高速炉の炉心
３ 燃料集合体
４ 制御棒集合体
５ 制御棒
１０ 案内管
１２ａ 開口
１３ 流入口
２０ 外筒
２４ 内筒
３０ 第１管部
４０ 第２管部
４２ 冷却材流路部
４４ 空洞部
４４ａ 上領域
５０ 仕切り部
５２ 底板部
５４ 周壁部
５６ 薄肉部
５８ 連通口
１５５ 切れ込み部
１５６ 薄肉部

Claims (6)

1. 高速炉の制御棒が収容される第１管部と、
   前記第１管部の下方に設けられ、前記第１管部と連通している第２管部と、
   前記第２管部に設けられ、流入口から流入した冷却材が前記第１管部へ向かって流れる冷却材流路部と、
   前記第２管部に前記冷却材流路部とは別に設けられ、前記第２管部の端部開口と繋がっている空洞部と、
   前記空洞部内に設けられ、前記空洞部を塞いでいる仕切り部と、
   前記仕切り部に形成され、前記空洞部の前記仕切り部よりも上方に流入した溶融燃料の熱により溶断可能な薄肉部と、
   を備える、高速炉の制御棒案内管。
2. 前記第２管部の外形を成す外筒と、
   前記外筒の内側に設けられた内筒と、を更に備え、
   前記冷却材流路部は、前記内筒と前記外筒に挟まれた空間部であり、
   前記空洞部は、前記内筒に囲まれた空間部である、
   請求項１に記載の高速炉の制御棒案内管。
3. 前記外筒の外周面に、前記冷却材が前記冷却材流路部に流入する流入口が形成されている、
   請求項２に記載の高速炉の制御棒案内管。
4. 前記第２管部は、前記内筒の端部と前記外筒の端部とを連結している端部連結部を有し、
   前記端部連結部に、前記冷却材が前記冷却材流路部に流入する流入口が形成されている、
   請求項２に記載の高速炉の制御棒案内管。
5. 前記仕切り部は、
   円形平板状の底板部と、
   前記底板部の外縁から上方へ延出して前記内筒の壁と連結している連結部と、を有し、
   前記薄肉部は、前記連結部において前記壁との連結位置よりも下方に形成されている、
   請求項３又は４に記載の高速炉の制御棒案内管。
6. 前記連結部は、円周方向に沿って切れ込みが形成された切れ込み部を有し、
   前記薄肉部は、前記切れ込み部の底部である、
   請求項５に記載の高速炉の制御棒案内管。
   

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