BRPI0620504A2 - circuito primário de reator nuclear com água pressurizada - Google Patents

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BRPI0620504A2
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Guy Barois
Jean-Georges Alibaud
Thierry Muller
Christelle Dumez
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Abstract

CIRCUITO PRIMáRIO DE REATOR NUCLEAR E REATOR NUCLEAR COM áGUA PRESSURIZADA. A presente invenção refere-se a um circuito primário de reator nuclear que compreende: - uma tubulação primária (30) que delimita um volume interno (32) no qual circula um fluido primário de resfriamento do reator nuclear, fluido primário esse que circula de montante a jusante da tubulação primária (30); - uma tubulação anexa (26) inserida na tubulação primária (30), e a tubulação anexa (26) delimita um volume interno que se comunica com o volume interno (32) da tubulação primária (30); - uma junta (36) que apresenta uma primeira extremidade (50) ligada à tubulação anexa (26), e uma segunda extremidade livre (52) situada no volume interno (32) da tubulação primária (30). De acordo com a presente invenção, a segunda extremidade (52) da junta (36) é delimitada por uma borda periférica livre (53) que apresenta pelo menos setores a montante e a jusante (56, 58) voltados respectivamente para montante e jusante da tubulação primária (30), sendo que o setor a montante (56) penetra mais profundamente no volume interno (32) a partir da tubulação primária (30) que o setor a jusante (58).

Description

"CIRCUITO PRIMÁRIO DE REATOR NUCLEAR E REATOR NUCLEAR COM
ÁGUA PRESSURIZADA" Campo da Invenção
A presente invenção refere-se de modo geral a reatores nucleares.
Mais precisamente, a presente invenção refere-se, de acordo com um primeiro aspecto, a um circuito primário de reator nuclear, do tipo que compreende:
- uma tubulação primária que delimita um volume interno no qual circula um fluido primário de resfriamento do reator nuclear, fluido primário esse que circula de montante a jusante da tubulação primária.
- uma tubulação anexa inserida na tubulação primária, tubulação anexa essa que delimita um volume interno que se comunica com o volume interno da tubulação primária;
- uma junta que se estende pelo menos parcialmente no interior da tubulação anexa, junta essa que apresenta uma primeira extremidade ligada à tubulação anexa, e uma segunda extremidade livre disposta no volume interno da tubulação primária.
Antecedentes da Invenção
O documento FR-A-2 561 030 descreve um circuito desse tipo. Esse circuito compreende uma junta que é disposta no mesmo nível da tubulação primária. A junta pode também ficar disposta ligeiramente em recuo, ou ainda penetrar nela (na tubulação primária) em pouca profundidade.
A tubulação anexa mencionada acima é utilizada tipicamente para ligar a parte de carga do circuito RCV (Volume de Controle do Reator) no circuito primário. Essa tubulação é inserida na ramificação fria do circuito primário, ou seja, na parte desse circuito situada a montante da cuba do reator nuclear e que liga a bomba de circulação do fluido primário em uma das entradas da cuba. A tubulação anexa permite injetar cargas de líquido provenientes do RCV no circuito primário, de modo a ajustar para cima o volume de líquido primário que circula nele, ou modificar a química do circuito primário.
As cargas de líquido injetadas são mais frias que o líquido primário que circula no circuito primário. A tubulação primária no mesmo nível da área de mistura entre o líquido proveniente do circuito RCV e o líquido primário sofre, portanto, variações de temperatura de grandes amplitudes quando se realiza uma injeção pela linha de carga no interior do circuito primário. Além disso, a inserção da tubulação anexa na tubulação primária sofre flutuações térmicas significativas, que ocorrem quando a diferença de temperatura entre a carga e a ramificação fria é significativa. Essas solicitações podem provocar uma fadiga dessa área da tubulação primária, podendo aumentar os riscos de vazamento ou de ruptura no nível da inserção.
Descrição Resumida da Invenção
Nesse contexto, a presente invenção tem por objetivo propor um circuito primário de reator nuclear, no qual o risco de fadiga e de vazamento no nível da inserção da tubulação anexa na tubulação primária fique muito reduzido, e mesmo eliminado.
Para esse fim, a presente invenção compreende um circuito primário do tipo descrito acima, caracterizado pelo fato da extremidade da junta ser delimitada por uma borda periférica livre que apresenta pelo menos setores, a montante e a jusante, voltados respectivamente para montante e para jusante da tubulação primária, e o setor a montante penetra mais profundamente no volume interno a partir da tubulação primária que o setor a jusante.
O circuito primário pode também apresentar uma ou mais características a seguir, consideradas individualmente ou segundo todas as combinações possíveis:
- os setores a montante e a jusante penetram no volume interno, respectivamente, na primeira e na segunda profundidades médias de penetração, e a primeira profundidade é superior à segunda em pelo menos cerca de 10% da maior dimensão da seção reta da tubulação anexa;
- a primeira profundidade média de penetração é superior a 50% da maior dimensão da seção reta da junta ao nível de sua extremidade livre;
- a borda periférica apresenta um perfil em forma de bisel;
- a borda periférica apresenta um perfil em forma de ameia;
- o setor a montante se estende sobre ao menos 30% da borda
periférica;
- a junta compreende um estrangulamento que termina na extremidade livre, estrangulamento esse que apresenta uma seção de passagem menor do que a da tubulação anexa;
- o estrangulamento se estende entre uma restrição formada na junta e a segunda extremidade livre, restrição essa que é disposta na área de ligação da junta na tubulação anexa; e
- a maior dimensão da seção de passagem da tubulação anexa é compreendida entre 1,7 e 3 vezes a maior dimensão da seção de passagem do estrangulamento.
De acordo com um segundo aspecto, a presente invenção refere- se a um reator nuclear com água pressurizada que compreende:
- uma cuba destinada a conter dois compartimentos de combustível nuclear, cuba essa dotada de pelo menos uma entrada e uma saída,
- um circuito primário que compreende pelo menos uma ramificação fria conectada com a entrada da cuba e uma ramificação quente conectada com a saída da cuba, caracterizada pelo fato do circuito primário ser um circuito primário tal como descrito acima.
O reator nuclear pode também apresentar uma ou mais das características a seguir, consideradas individualmente ou segundo todas as combinações tecnicamente possíveis:
- a tubulação anexa é conectada em um circuito apto a injetar uma carga de líquido na tubulação primária pela referida tubulação anexa, e a tubulação anexa é inserida na ramificação fria do circuito primário; e
- o reator compreende um pressurizador apto a variar, de modo controlado, a pressão do fluido primário no circuito primário, e a tubulação anexa promove a comunicação do pressurizador e da tubulação primária e é inserida na ramificação quente do circuito primário.
Breve Descrição das Figuras
Mais características e vantagens da presente invenção serão aparentes na descrição detalhada feita a seguir, a título indicativo sem qualquer caráter limitativo, em relação às figuras anexas, nas quais:
- A Figura 1 é uma representação esquemática geral da parte primária de um reator nuclear com água pressurizada de acordo com a presente invenção;
- A Figura 2 é uma vista em corte, ampliada, do detalhe Il da Figura 1, que mostra a interface entre a tubulação de carga conectada ao circuito RCV e a tubulação primária;
- A Figura 3 é uma vista em corte longitudinal da junta de proteção da tubulação de carga, considerada segundo a incidência das setas III da Figura 2; e
- A Figura 4 é uma vista ampliada da extremidade livre da junta para uma variante de realização da presente invenção, considerada em corte no mesmo plano que na Figura 2. Descrição Detalhada da Invenção O reator nuclear 1 representado parcialmente na Figura 1 compreende uma cuba 2 que contém dois compartimentos de combustível nuclear, um gerador de vapor 4, uma bomba primária 6, um pressurizador 8 e um circuito primário 10. A cuba 2 é dotada de pelo menos uma entrada 12 e uma saída 14. O circuito primário 10 compreende uma ramificação quente 16 que conecta a saída 14 da cuba 2 ao gerador de vapor 4, uma ramificação em forma U 18 que conecta o gerador de vapor 4 à bomba primária 6, e uma ramificação fria 20 que conecta a bomba 6 à entrada 12 da cuba 2.
O circuito primário 10 contém um fluido primário, tipicamente água, que circula um circuito fechado. O fluido primário é recalcado pela bomba primária 6 até a cuba 2, atravessa essa cuba aquecendo-se com o contato das combinações de combustível nuclear, e transfere a seguir seu calor a um fluido secundário que circula em um circuito secundário (não representado) passando no gerador de vapor 4.
O pressurizador 8 é formado principalmente por um invólucro de caldeira estanque 21, em combinação com o volume interno da ramificação quente 16 por meio de uma tubulação 22 inserida nessa ramificação quente 16. O invólucro 21 é parcialmente preenchido com o fluido primário, e o teto no ápice desse invólucro 21 é ocupado por vapor de água sob pressão em equilíbrio hidrostático com o fluido primário. O pressurizador 8 compreende, ainda, meios (não representados) para fazer variar de modo controlado a pressão do vapor de água no teto do invólucro 21, de modo a ajustar a pressão do fluido primário no circuito 10.
O reator compreende, ainda, um circuito 24 denominado RCV Volume de Controle do Reator e Química (RCV)1 representado de modo esquemático na Figura 1. O circuito RCV é apto a promover a variação de modo controlado do volume de fluido primário em circulação no circuito 10, injetando cargas de fluido no circuito primário, ou trasfegando cargas de fluido fora desse circuito. Para esse fim, o circuito primário 10 compreende uma tubulação de carga 26 conectada ao circuito RCV 24 e inserida na ramificação fria 20 do circuito primário 10.
O circuito primário 10 compreende ainda uma tubulação de trasfega 28 inserida no ponto baixo da ramificação em forma de U 18 do circuito primário 10.
A interface entre a tubulação de carga 26 e a ramificação fria 20 do circuito primário é ilustrada na Figura 2. A ramificação fria 20 compreende uma tubulação primária cilíndrica 30 que delimita um volume interno no qual circula o fluido primário, fluido esse que circula a montante da tubulação primária, ou seja, da bomba 6, para a jusante da tubulação primária, ou seja, em direção a entrada 12 da cuba 2. O eixo central C1 da tubulação primária 30 é horizontal na Figura 2. O circuito compreende ainda uma inserção 34 de ligação da tubulação de carga 26 com a tubulação primária 30, e uma junta interna 36 de proteção.
A inserção 34 é soldada em um orifício da tubulação 30, e define internamente um canal 38 que se conecta, de modo sensivelmente perpendicular a partir do volume interno 32, na tubulação 30. O canal 38 é sensivelmente cilíndrico. Ele põe em comunicação o volume interno da tubulação de carga 26 com o volume interno 32 da tubulação primária 30.
A tubulação de carga 26 compreende uma parte principal 40, sensivelmente cilíndrica, de diâmetro interno reduzido em relação ao diâmetro interno do canal 38, e uma parte intermediária 42 interposta entre a parte principal 40 e a inserção 34.
A parte intermediária 42, a parte principal 40 e o canal 38 são coaxiais, de eixo central C vertical perpendicular ao eixo C' da tubulação primária 30, ou inclinado a 30° em relação ao eixo vertical perpendicular ao eixo da tubulação primária 30.
A parte intermediária 42 compreende um segmento superior cilíndrico 44 soldado à parte principal 40, um segmento inferior 46 cilíndrico soldado na inserção 34, e um segmento intermediário 48 troncônico que liga os segmentos superior e inferior, e que apresenta uma forma que se abre a partir do segmento superior para o segmento inferior.
Ajunta 36 apresenta uma forma geral cilíndrica, de eixo central C. Ela apresenta uma primeira extremidade 50 solidária as faces interna e externa da tubulação de carga 26. Essa primeira extremidade 50 apresenta um aumento de espessura com uma parte interna do segmento troncônico 48. A junta 36 se estende, de modo sensivelmente retilíneo a partir dessa primeira extremidade 50, até uma segunda extremidade 52 livre situada no volume interno 32 da tubulação primária 30. Ajunta 36 se estende, portanto, no interior do segmento 46 e do canal interno 38. Ela apresenta um diâmetro externo reduzido em relação ao segmento 46 e ao canal interno 38, de tal modo que, uma área anular 54 seja delimitada entre a junta 36, de um lado, e o segmento 46 e a inserção 34, de outro lado. Essa área 54 é aberta em direção à parte inferior na Figura 2 e desemboca no volume interno 32 da tubulação primária 30. Ela é fechada em direção à parte superior da Figura 2, pela área de junção entre a junta 36 e a inserção 34.
A segunda extremidade 52 da junta é delimitada por uma borda periférica livre 53 que apresenta um perfil em forma de bisel. Como se pode ver nas Figuras 2 e 3, essa borda periférica apresenta setores a montante e a jusante 56 e 58, voltados respectivamente para a montante e para a jusante da tubulação primária 30. O sentido de circulação do fluido primário é representado pela seta F da Figura 2.
Devido ao fato da borda periférica 53 ser talhada em bisel, o setor a montante 56 da borda periférica penetra mais profundamente no volume interno 32 da tubulação primária que o setor a jusante 58.
Chama-se aqui profundidade de penetração de um ponto da borda periférica 53, a distância que separa esse ponto da abertura do canal 38 que desemboca no volume interno 32, e essa distância é considerada de modo sensivelmente radial em relação ao eixo central C da tubulação primária 30.
No exemplo de realização ilustrado aqui, a borda periférica 53 da junta se inscreve em um plano P (Figura 2). A normal a esse plano forma um ângulo α de aproximadamente 20° em relação ao eixo C da junta. O plano P é inclinado para a montante, de tal modo que o ponto Pmax da borda periférica 53, que penetra mais profundamente no volume interno 32, seja o que está situado mais a montante. O ponto Pmjn da borda periférica 53, que penetra menos profundamente, é o situado mais a jusante, diametralmente oposto do ponto Pmax.
Na presente invenção em um exemplo de realização, a penetração pmax no ponto Pmax é sensivelmente igual ao diâmetro interno da junta 36. A diferença entre a penetração no ponto Pmax e a penetração pmjn no ponto Pmin vale aproximadamente 30% do diâmetro externo da parte baixa da junta 36.
Se for considerado que o setor a montante 56 corresponde à metade da borda periférica 53 voltada para montante da tubulação primária 30 e que o setor a jusante 58 corresponde à metade da borda periférica 53 voltada para jusante da tubulação primária 30, a penetração média do setor a montante 56 é, nesse caso, superior em aproximadamente 15 % à penetração média do setor a jusante 58.
A borda periférica 53 pode apresentar outros perfis, por exemplo, um perfil em forma de ameia, tal como o representado na Figura 4. Os setores a montante 56 e a jusante 58 dessa borda são dobrados cada um na metade da periferia da borda. Cada um dos setores apresenta uma penetração sensivelmente constante, e a diferença de penetração entre o setor a montante 56 e o setor a jusante 58 vale aqui aproximadamente 25% do diâmetro externo da junta 36.
A borda periférica 53 pode apresentar diversos outros perfis. De preferência, o setor a montante 56 se estende sobre ao menos 30% da periferia da borda livre periférica 53.
De preferência ainda, a profundidade média de penetração do setor a montante 56 é superior à profundidade média de penetração do setor a jusante 58 de pelo menos 10 % da maior dimensão da seção reta da tubulação de carga 26, que corresponde aqui ao diâmetro interno da tubulação de carga 26.
De preferência ainda, a profundidade de penetração média do setor a montante 56 é superior a 50 % da maior dimensão da seção reta da junta 36 ao nível de sua extremidade livre 52, que corresponde aqui ao diâmetro interno da junta 36.
De acordo com outro aspecto facultativo da presente invenção, visível na Figura 2, a junta 36 compreende, a partir de sua primeira extremidade 50, um segmento convergente 60 que forma restritiva, e a seguir um estrangulamento 62 de seção interna constante que se prolonga até a segunda extremidade 52. O diâmetro interno da junta 36 se reduz progressivamente ao longo do segmento convergente 60. Ao nível da primeira extremidade 50, o diâmetro interno da junta 36 é igual ao diâmetro interno da parte principal 40. A relação entre o diâmetro da tubulação 26, considerado ao nível de sua parte principal 40, e a maior dimensão da seção interna d o estrangulamento 62, aqui seu diâmetro interno, é compreendido entre 1,7 e 3.
O circuito primário descrito acima apresenta múltiplas vantagens.
Durante a injeção de uma carga de líquido no interior da tubulação primária 30, via tubulação de carga 26, o setor a montante 56 da borda livre da junta impede que o líquido primário quente suba no interior da junta 36.
De fato, esse setor a montante 56 penetra mais profundamente que o resto da borda periférica 53 no volume interno 32 da tubulação primária.
Na ausência desse setor, pequenos vórtices de líquido primário quente poderiam subir no interior da junta 36, em particular quando a vazão de líquido através da tubulação de carga 26 e a junta 36 é pequena. O setor a montante 56 da borda periférica 53 desvia esses pequenos vórtices para o centro da tubulação primária 30, limitando, assim, os riscos que esses pequenos vórtices penetrem no interior da junta 36.
As partes da tubulação de carga 26 mantidas mais frias pela carga de líquido injetada na tubulação primária não são expostos a pequenos vórtices de líquidos quentes que sobem da tubulação primária.
Elas não sofrem, portanto, ciclos térmicos e não são expostas às solicitações que deles resultam. O risco de vazamento ao longo do tempo ao nível da inserção da tubulação de carga 26 fica, conseqüentemente, reduzida.
Além disso, a junta 36 penetra profundamente no interior da tubulação primária 30 em uma profundidade superior a 50% da maior dimensão da seção reta da junta ao nível de sua extremidade livre. Isso tem por efeito afastar a área de mistura entre o fluido injetado e o fluido primário em direção ao centro da tubulação 30. A parte da tubulação primária 30 situada no mesmo nível da área de mistura, inclusive a inserção 34, sofre com isso variações de temperatura de menor amplitude.
O fato da junta 36 compreender um estrangulamento 62 de seção de passagem menor do que a da tubulação anexa 26, permite acelerar o fluido injetado no interior da tubulação primária. A velocidade do fluido contribui para afastar ainda mais a área de mistura ρ ara longe da parede da tubulação primária e da inserção. Além disso, o fato de formar o segmento convergente 60 da junta ao nível da primeira extremidade 50 dessa junta, ou seja, ao nível em que a junta 36 é ligada na tubulação de carga 26, permite criar uma parede periférica de grande espessura nesse local, como mostra a Figura 2. Isso permite vantajosamente aumentar a resistência mecânica da conexão entre a junta 36 e a tubulação de carga 26. De fato, a circulação do fluido primário na tubulação 30 cria vibrações da junta 36, em particular devido ao fato dessa junta penetrar profundamente no interior da tubulação primária 30. Essas vibrações se propagam da extremidade livre 52 da junta 36 até o ponto de junção entre a junta 36 e a tubulação de carga 26. O aumento da espessura de matéria no local da conexão permite, portanto, melhorar a resistência às vibrações nesse local, e aumenta assim o tempo de vida da junta 36, e da tubulação de carga 26, e da inserção 34.
Descreveu-se acima a estrutura da área de interface entre a tubulação de carga 26 conectada ao circuito RCV e a tubulação primária 30. Essa estrutura pode ser vantajosamente transposta para a interface entre a tubulação 22 e a ramificação quente 16 do circuito primário. Como se viu anteriormente, a tubulação 22 coloca em comunicação o invólucro 21 do pressurizador e a ramificação quente 16 do circuito. A mistura entre o fluido muito quente que chega, em certos casos, do pressurizador 8 e o fluido primário que circula na ramificação quente 16 cria solicitações térmicas ao nível da inserção da tubulação 22 na ramificação quente 16. O uso de uma junta 36, tal como descrita acima, permite melhorar o comportamento térmico e mecânico no nível da inserção da tubulação 22.
O circuito primário descrito acima apresenta múltiplas variantes.
A junta 36 pode não apresentar uma seção interna circular, mas de preferência oval, ou qualquer outra forma. O segmento convergente 60 que forma uma restrição pode não ser disposto na primeira extremidade 50 da junta, mas ser deslocado em direção à segunda extremidade 52 em qualquer ponto dessa junta. A junta 36 pode também não compreender um segmento convergente 60.
Foram representadas, na Figura 2, a tubulação de carga 26 e a junta 36 que se estende perpendicularmente em relação ao eixo central C' da tubulação primária 30. A tubulação 26, a inserção 34 e a junta 36 poderiam também ser inclinadas em relação ao eixo central C1 da tubulação 30.

Claims (12)

1. CIRCUITO PRIMÁRIO DE REATOR NUCLEAR, que compreende: - uma tubulação primária (30) que delimita um volume interno (32) no qual circula um fluido primário de resfriamento do reator nuclear, fluido primário esse que circula de montante a jusante da tubulação primária (30); - uma tubulação anexa (26) inserida na tubulação primária (30), e a tubulação anexa (26) delimita um volume interno que se comunica com o volume interno (32) da tubulação primária(30); - uma junta (36) que apresenta uma primeira extremidade (50) ligada à tubulação anexa (26), e uma segunda extremidade livre (52) situada no volume interno (32) da tubulação primária (30); caracterizado pelo fato da segunda extremidade (52) da junta (36) ser delimitada por uma borda periférica livre (53) que apresenta pelo menos setores a montante e a jusante (56, 58) voltados respectivamente para a montante e a jusante da tubulação primária (30), sendo que o setor a montante (56) penetra mais profundamente no volume interno (32) a partir da tubulação primária (30) que o setor a jusante (58).
2. CIRCUITO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato dos setores a montante e a jusante (56, 58) penetrarem no volume interno (32), respectivamente, nas primeira e segunda profundidades médias de penetração, sendo que a primeira profundidade é superior à segunda em pelo menos 10% da maior dimensão da seção reta da tubulação anexa (26).
3. CIRCUITO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato da primeira profundidade média de penetração ser superior a 50% da maior dimensão da seção reta da junta (36) ao nível de sua extremidade livre (52).
4. CIRCUITO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato da borda periférica (53) apresentar um perfil em forma de bisel.
5. CIRCUITO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato da borda periférica (53) apresentar um perfil em forma de ameia.
6. CIRCUITO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato do setor a montante (56) se estender sobre ao menos 30% da borda periférica (53).
7. CIRCUITO, de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato da junta (36) compreender um estrangulamento (62) que termina pela extremidade livre (52), estrangulamento esse (62) que apresenta uma seção de passagem menor do que a da tubulação anexa (26).
8. CIRCUITO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do estrangulamento (62) se estender entre uma restrição (60) formada na junta (36) e a segunda extremidade livre (52), restrição essa (60) que é disposta na área de conexão da junta (36) na tubulação anexa (26).
9. CIRCUITO, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato da maior dimensão da seção de passagem da tubulação anexa (26) compreender entre 1,7 e 3 vezes a maior dimensão da seção de passagem do estrangulamento (62).
10. REATOR NUCLEAR COM ÁGUA PRESSURIZADA, que compreende: - uma cuba (2) destinada a conter dois compartimentos de combustível nuclear, cuba essa (2) que é dotada de pelo menos uma entrada (12) e uma saída (14), - um circuito primário (10) que compreende pelo menos uma ramificação fria (20) conectada com a entrada (12) da cuba (2) e uma ramificação quente (16) conectada com a saída (14) da cuba (2), caracterizado pelo fato do circuito primário (10) ser um circuito primário conforme definido em uma das reivindicações 1 a 9.
11. REATOR, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato da tubulação anexa (26) ser conectada a um circuito (24) apto a injetar uma carga de líquido na tubulação primária (30) pela referida tubulação anexa (26), tubulação anexa essa (26) que é inserida na ramificação fria (20) do circuito primário (10).
12. REATOR, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de compreender um pressurizador (8) apto a promover a variação, de modo controlado, da pressão do fluido primário no circuito primário (10), sendo que a tubulação anexa (26) promove a comunicação do pressurizador (8) e da tubulação primária (30) e está inserida na ramificação quente (16) do circuito primário (10).
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