JPH03148097A - モジュール式燃料集合体 - Google Patents

モジュール式燃料集合体

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JPH03148097A
JPH03148097A JP2295580A JP29558090A JPH03148097A JP H03148097 A JPH03148097 A JP H03148097A JP 2295580 A JP2295580 A JP 2295580A JP 29558090 A JP29558090 A JP 29558090A JP H03148097 A JPH03148097 A JP H03148097A
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ト・クォク・グィエン
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    • GPHYSICS
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に、核燃料集合体に関し、特に、最適な
燃料利用のための軸線方向モジュール式燃料集合体及び
燃料棒に関するものである。
た1狡盃久五刊 従来の通常の核燃料集合体は、スケルトン組立体内に支
持された複数の燃料棒から構成されている。スケルトン
組立体は、上下ノズルと、これらのノズルの間で縦方向
に延び、その両端で上部及び下部ノズルに連結されてい
る複数の案内シンプル及び計装管とから構成されている
。燃料棒を横方向に支持するために、複数の格子が案内
シンプルと計装管とに沿って軸線方向に互いに隔てられ
て配置され、案内シンプル及び計装管に取り付けられて
いる。
各燃料棒は、典型的には、中空の細長い被覆管と、端栓
により端部が封止されるこの被覆管内に積重状態で収容
された複数の酸化ウラン燃料ベレットとを備えている。
各燃料棒は、格子の支持デインプル及びばねの組合せに
よって、各々の格子で支持されている。これらの格子は
、案内シンプルに沿って軸線方向に互いに隔てられて配
置され、燃料棒を挿入できる一体スケルトン構造にする
ために、格子位置で案内シンプルに形成されたバルジ継
手により捕持されている。下部ノズルは、燃料集合体の
下部支持構造要素としての機能を有し、燃料集合体に向
けて流れ燃料集合体内を貫流する冷却材流れを分配する
。上部ノズルには、燃料集合体の上部構造要素としての
機能がある。案内シンプルは、燃料集合体の幾つかに制
御棒を誘導する導管ともなる構造部材である。
従来の原子炉の炉心は、並設配列に配置された従来の複
数の燃料集合体を備えている。この種の炉心では、炉心
寿命中の軸線方向及び径方向での燃料消費が不完全なた
めに、炉心寿命の延長の利益が十分には得られていない
。燃料の不完全消費は炉心の上下で最も顕著である。従
って、不適当な燃料の利用性を改善する一手段として、
天然つラン、即ちシードブランケット(seed bl
anket)を炉心の上部及び下部に用いるというもの
がある。
米国特許第4,493,814号及び第4,631,1
66号は、この手段に関連するものである。
別の手段は、複数の小組立体の燃料モジュールから成る
径方向モジュール式燃料集合体を提供するものである。
米国特許第4,716,015号は、この手段に関して
いる。小組立体の燃料モジュールの各々は、上部ノズル
モジュール部分、下部ノズルモジュール部分及び格子部
分を含んでおり、案内シンプルと燃料棒とが上下のノズ
ルモジュール部分間に延びている。別の燃料集合体から
の小組立体の燃料モジュールを用いたり、或は新規な小
組立体の燃料モジュールを1つ以上用いることにより、
燃料集合体を再組立することができる。
上述の各手段は、燃料の利用性をある程度は改善するも
のの、燃料の最有効利用には至っていないものと認識さ
れている。
ジュール式の燃料集合体及び燃料棒を提供する。
本発明のモジュール式燃料集合体の概念は、現場での取
外し及び再組立が可能な多数の軸線方向の燃料小組立体
の形式で、燃料集合体を構成するというものである。再
組立された新しい燃料集合体は、使用済みの燃料集合体
の軸線方向上部及び下部の燃料小組立体から構成できる
。これらの小組立体は、使用済みの燃料集合体の中間部
燃料小組立体よりも反応度が10%〜20%高い。モジ
ュール式燃料棒も同様に、多数の軸線方向燃料棒セグメ
ントから構成される。
従って、本発明は、モジュール式燃料集合体、即ち、(
a>軸線方向に積み重ねられた複数の小組立体を備え、
(b)前記小組立体の各々が、複数の細長い構造セグメ
ントと、複数の燃料棒セグメントと、構造セグメントに
取り付けられ燃料棒セグメントを支持する少なくとも1
つの支持格子とを有しており、且つ、(c)複数の細長
い構造支持部材を形成するために構造セグメントを互い
に分離可能に連結する手段であって、小組立体の各々の
− − 支持格子が構造支持部材に沿って互いに軸線方向に離隔
関係に配置されると共に、隣合う小組立体の各々の燃料
棒セグメントが互いに軸線方向に整列された端部突合せ
関係に配置される構造スケルトンを提供するようになっ
ている前記手段を備えた、モジュール式燃料集合体に向
けられている。
本発明は、更に、モジュール式燃料集合体の細長い複数
の燃料棒を形成するために、複数の燃料棒セグメントを
分離可能に連結する手段を備えている。
より詳細に述べるならば、上部及び下部の小組立体はそ
れぞれ、上部ノズル及び下部ノズルを備えており、また
、これらの上下の小組立体の間には、複数の中間部小組
立体が配置されている。この中間部小組立体の数は、少
なくとも3体あるのが好ましい。上部及び下部の小組立
体における構造セグメントは、それぞれの上部及び下部
のノズルに分離可能に取り付けられている。
また、本発明は、(a)軸線方向に整列された複数の燃
料棒セグメントと、(b)互いに軸線方向に整列された
端部突合せ関係に燃料棒セグメントを分離可能に相互結
合する手段とを備えるモジュール式燃料棒に向けられて
いる。各燃料棒セグメントは、管セグメントと、この管
セグメントの両端を封止する1対の端栓と、この封止さ
れた管セグメント内に収容された燃料ベレットの積重体
とを備えている。前記結合手段は、隣合う燃料棒セグメ
ントの端栓を互いに嵌合するために、燃料棒セグメント
の隣合う端栓のそれぞれに画成された第1及び第2の要
素を備えている。
更に、本発明は、上端部及び下端部の炉心領域における
燃料の軸線方向の平均燃焼率が、これら上下の炉心領域
間に位置される中間炉心領域におけるものよりも低くな
っている原子炉の炉心内で使用される燃料集合体を意図
している。この燃料集合体は、(a)軸線方向に延びる
複数の燃料モジュールと、(b)軸線方向に整列された
端部突合せ関係に前記燃料モジュールを分離可能に相互
結合する手段とを備えている。この燃料モジュールは、
炉心の上端部領域の軸線方向寸法に実質的に一致− する軸線方向寸法を有する上端部燃料モジュールと、炉
心の上端部領域の軸線方向寸法に実質的に一致する軸線
方向寸法を有する上端部燃料モジュールとを含んでいる
。これらの燃料モジュールは、軸線方向に積み重ねられ
た複数の小組立体であり、それぞれが複数の燃料棒セグ
メントを備えている。
各小組立体は、更に、細長い複数の構造セグメントと、
これらの構造セグメントに取り付けられ燃料棒セグメン
トを支持する少なくとも1つの支持格子とを含んでいる
また更に、本発明は、燃料集合体の組立及び再組立の方
法に向けられており、この方法は、(a)初期セットの
軸線方向モジュール式小組立体を積重関係に組み立てて
、その複数の細長い構造セグメント及び複数の燃料棒セ
グメントがそれぞれ、端部突合せ関係に整列されるよう
にする段階と、(b)燃料集合体における複数の燃料棒
となるように、隣合う小組立体の燃料棒セグメントを分
離可能に相互嵌合させる段階と、(C)燃料集合体にお
ける複数の構造部材となるよう、隣合う小組立体の複数
の構造セグメントを分離可能に連結する段階とを含んで
いる。この方法は、更に、(d )1111合う小組立
体の燃料棒セグメント及び構造セグメントをそれぞれ個
々に分離する段階と、(e)初期セットの小組立体を積
重関係から解体する段階と、(f)初期セットの小組立
体の幾つかを新規な小組立体と交換する段階と、(g)
残りの小組立体、例えば先に燃焼された燃料集合体から
の上部及び下部の小組立体と共に、前記新規な小組立体
を再組立する段階とを含んでいる。
本発明の上記及び他の特徴や利点は、本発明の実施例を
示す図面に沿って、以下の本発明の実施例の詳細な説明
を読むことにより、当業者にとって明らかになるであろ
う。
日の tB 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同−又は相当部分を示している。また、以下の説明に
おいて、「前方」、r後方J、「左方」、「右方」、「
上方」、「下方」等の話は、便宜上の言葉であり、限定
的な語として解釈すべ一 0 きものではない。
九生筋11」 図面、特に第1図を参照すると、従来の原子炉用燃料集
合体が、垂直方向に短縮した形で、総括的に符号10と
して示されている。この燃料集合体10は、加圧水型原
子炉(PWR)内に使用される型式であり、基本的に、
PWRの炉心(図示しない)の下部炉心板(図示しない
)上に当該燃料集合体10を支持するための下fi!構
造体、即ち下部ノズル12と、この下部ノズル12から
北方に向かって突き出して縦方向に延びる多数の案内管
、即ち案内シンプル14とを備えている。更に、燃料集
合体10は、案内シンプル14に沿って軸線方向に互い
に隔てられた複数の横向きの格子16と、これらの格子
16により互いに横方向に隔てられ支持された細長い燃
料棒18の組織化された配列とを備えている。
また、燃料集合体10は、その中心に配置されている計
装管20と、案内シンプル14の上端に脱着可能に取り
付けられた上端構造体、即ち上部ノズル22とを有して
おり、燃料集合体の構成部品を損傷させることなく普通
に取り扱うことのできる一体ユニットを形成する。
上述したように、燃料集合体10における所定配列の燃
料棒I8は、燃料集合体10内の長手方向に沿って間隔
をおいて配置された複数の格子16によって、相互に離
隔関係に保持される。各燃料棒18は、核燃料ペレット
24を収容し、また、燃料棒1日を密封すべくその両端
が上部及び下部端栓26.28によって閉じられている
。一般に、プレナムばね30が上部端栓26とベレット
24との間に配置され、燃料棒18内でベレット24を
緊密に積み重ねた状態で維持する。核分裂性物質から成
る燃料ペレット24は、原子炉の核反応出力の発生を担
っている。水又はホウ素含有水のような液体の減速/冷
却材が、炉心内で発生される熱を抽出して有用な仕事を
行わせるために、炉心の燃料集合体間を上方に圧送され
る。
線方向モジュール式燃料集合体が総括的に符号32で示
されている。尚、従来の燃料集合体10に使用されたも
のと実質的に同じであるモジュール式燃料集合体32の
部分は、以下、前述のものと同一の参照符号によって示
すこととする。このモジュール式燃料集合体32は、基
本的に、軸線方向に積み重ねられた、ないしは組み立て
られた複数の小組立体34を有している。この−組の小
組立体34には、従来の上部ノズル22を組み込んだ最
上部の上部小組立体34Aと、従来の下部ノズル12を
組み込んだ最下部の下部小組立体34Bと、上部小組立
体34A及び下部小組立体34Bの間に配置された、好
適には少なくとも3体の中間部小組立体34Cとがある
各小組立体34は、案内シンプルセグメント36の形態
をした細長い複数の構造セグメントと、複数の燃料棒セ
グメント38と、少なくとも1つ、好適には1対の従来
の支持格子16とを含んでいる。これらの支持格子16
は、第1図の従来の燃料集合体10の格子16の場合に
用いられたような適当な方法で、案内シンプルセグメン
ト36に取り付けられ、燃料棒セグメント38を支持す
る。上部及び下部小組立体34A、34Bの案内シンプ
ルセグメント36はそれぞれ、従来の燃料集合体10の
案内シンプル14の場合に用いられたような適当な方法
で、上部及び下部小組立体の上部ノズル22と下部ノズ
ル12に取外し可能に取り付けられている。例えば第8
図から分かるように、ソケット及び溝による取付手段4
0が上部ノズル22に用いられており、ねじ穴付き端栓
及びねじによる取付手段42が下部ノズル12で使用さ
れている。
組み立てられた複数の小組立体34における案内シンプ
ルセグメント36は、相互に連結されてセグメント構成
の複数の細長い案内シンプル44を形成するようになっ
ており、これらの案内シンプル44は上部ノズル22と
下部ノズル12どの間に延び且つこれらのノズル22.
12に連結されている。セグメント構成の案内シンプル
44と上部及び下部ノズルZ2.12とは共働して、モ
ジュール式燃料集合体32の構造スケルトン45(一部
のみ第8図に示す)を画成している。組み立てられた各
々の小組立体3414〜 における支持格子16は、セグメント構成の案内シンプ
ル44に沿って軸線方向に互いに隔てられ配置されてい
る。格子16に支持されている組立後の小組立体34に
おける隣合う各小組立体の燃料棒セグメント38は、モ
ジュール式燃料集合体32の複数の細長いモジュール式
燃料棒46を形成すべく、軸線方向に整列され且つ端部
と端部とが相互嵌合される関係で、配置されている。
モジュール式燃料棒46の一実施例において、第6図に
示すような燃料棒セグメント38の各々は、被覆管セグ
メント48と、この被覆管セグメント48の両端に嵌め
込まれてこれらを封止している1対の上部及び下部端栓
50.52と、封止された被覆管セグメント48内に収
容されている燃料ベレット54の積重体と、燃料ペレッ
ト積重体54及び上部端栓50の間に配置されたブレナ
ムばね56とを具備している。また、第6図に明示する
ように、モジュール式燃料集合体32は、第1及び第2
の相互嵌合要素58.60の形態をとる手段を有してお
り、これらは上下の端栓50.52にそれぞれ形成され
て、モジュール式燃料集合体32におけるセグメント構
成の燃料棒46を形成すべく、組み立てられた小組立体
34において軸線方向に端部突合せ状態に整列された燃
料棒セグメント38を、分離可能に連結するようになっ
ている。第1及び第2の要素58.60は、適当な形態
ならばどのようなものでも良い。第6図の例では、第1
の要素58は上部端栓50に形成された軸線方向に延び
る凹部であり、第2の要素60は下部端栓52に形成さ
れた軸線方向に延びる突起である。第1及び第2の要素
58.60は、相互に嵌合できるように相補的な形状に
されている。
第10図には、他の実施例によるモジュール式燃料棒4
6Aが示されている。このモジュール式燃料棒46Aは
、軸線方向に整列された複数の燃料棒セグメント38A
と、これらの複数の燃料棒セグメント38Aを互いに軸
線方向に整列された端部突合せ状態で分離可能に連結す
る手段とから構成されている。第6図の実施例の各燃料
棒セグメント38と同様に、第11図の実施例の各燃料
棒セグメント38Aは、被覆管セグメント48Aと、被
覆管セグメント48Aの両端部に嵌め込まれてこれらを
閉じる1対の上部及び下部の端栓50A、52Aと、密
封された被覆管セグメント48A内に収容された燃料ベ
レット54Aの積重体と、燃料ペレット積重体54A及
び上部端栓50Aの間に配置されたブレナムばね58A
とを具備している。第11図の燃料棒セグメント38A
における上下の端栓50A、52A(最上部及び最下部
の端栓を除く)にそれぞれ設けられている第1及び第2
の要素58A、60Aは、第6図の燃料棒セグメント3
8とは異なり、それぞれねじ穴58A及びねじスタッド
60Aの形態をとった相補的形状のおねじ及びめねし部
材となっている。従って、第10図の軸線方向に整列さ
れた燃料棒セグメント38Aは、互いに端部突合せ状態
で螺合され、モジュール式燃料棒46Aを形成する。
第5図及び第7図〜第9図を参照とすると、モジュール
式燃料集合体32は、更に、複数の構造セグメントない
し案内シンプルセグメント36を分離可能に相互結合す
るための手段を備えており、これにより、上部ノズル2
2と下部ノズル12との間で延び且つこれらのノズル2
2.12に連結される細長い複数の構造支持部材ないし
セグメント構成の案内シンプル44が形成される。前述
したように、セグメント構成の案内シンプル44及び上
下のノズル22.12は、共働して、モジュール式燃料
集合体32の構造スケルトン45(一部分のみを第8図
に示す)を画成する。
モジュール式燃料集合体32の相互連結手段ないし相互
結合手段は、構造案内シンプル、セグメント36の両端
に形成された第1及び第2の部分62.64と、複数の
細長い管状の固定部材66とを備えている。例えば、第
1及び第2の部分62.64は、相互に噛合する周方向
の上側バルジ68及び下側バルジ70(それぞれ、溝7
2.74を画成する)の形態にすることができる。各対
の第1及び第2の部分62.64のうち第1、即ち上側
の部分62は、周方向に互いに隔てられて軸線方向に延
びるスロット76を、少なくとも1つ、好適には複数有
しており、このスロット76によって上側部分62を拡
張及び収縮でき、従って、第1の部分62と第2の部分
64とを互7 8 いに噛合ないし嵌合することができ、且つ、個々に分離
できる。全ての案内シンプルセグメント36がバルジ6
8.70を互いに噛み合わせることにより組み立てられ
たならば、固定部材66が組み立てられたセグメント構
造の各案内シンプル44に挿入されて、構造案内シンプ
ルセグメント36を相互嵌合状態で保持する。これらの
セグメント構成の案内シンプル44のうち中央のものは
、従来の計装管20の構成要素を受は入れるために用い
られる。
このモジュール式核燃料集合体32は、まず、複数組の
構造案内シンプルセグメント36及び複数組の燃料棒セ
グメント38をそれぞれ、端部突合せ整列関係に配置す
ることにより、初期セットの軸線方向モジュール式小組
立体34A〜34Cから積重像状に組み立てられる。次
に、積み重ねられた隣合う小組立体34の燃料棒セグメ
ント38は、凹部58に突起60を組み合わせることに
より、分離可能に相互結合され、モジュール式燃料集合
体32における複数のセフメン1〜!R成の燃料棒を構
成する。最後に、モジュール式燃料集合体32における
複数のセグメント構成の案内シンプル44を組み立てる
べく、積み重ねられた隣合う小組立体34の構造案内シ
ンプルセグメント36におけるバルジ68.70を相互
に嵌め込んで噛合させ、更に、組み立てられた案内シン
プル44内に管状の固定部材66を挿入することにより
、隣合う小組立体34の構造案内シンプルセグメント3
6は分離可能に相互結合される。
原子炉の運転サイクルの終了後、モジュール式燃料集合
体32は解体でき、その後、初期セットの幾つかの小組
立体と幾つかの新規な小組立体とを置換することにより
再組立することができる。即ち、この燃料集合体32は
、炉心から取り出され、組み立てられている案内シンプ
ル44から固定部材66を引き抜くことにより、解体に
備えられるのが好ましい。次に、隣り合った小組立体に
おける燃料棒セグメント38及び構造案内シンプルセグ
メント36がそれぞれ個々に分離され、小組立体が1度
に積重像状態から解除される。新規な小組立体が初期セ
ットの選ばれた使用済み小組立体と交換された後、この
新規な小組立体と残っている使用済み小組立体とは、上
述した解体工程を逆に行うことによって、再組立てされ
炉心内に装荷される。
第12図は、前述の構成を有する本発明によるモジュー
ル式燃料集合体32から成る原子炉の炉心78を概略的
に示す図である。原子炉の炉心78は、上端部領域78
Aと、上端部領域78Bとを有しており、これらの領域
における燃料の軸線方向平均燃焼率は、これらの領域間
に位置した炉心の中間領域78Cにおける燃焼率よりも
低い。炉心78のモジュール式燃料集合体32において
は、上部及び下部の小組立体34A、34B、及びこれ
らの内部に収容されている各燃料棒セグメントの軸線方
向寸法は、炉心フ8の上端部及び下端部の領域78A、
78Bの軸線方向寸法に実質的に一致している。従って
、上部及び下部の小組立体34A、34B内の燃料は、
再組立てされた燃料集合体内にこれらの小組立体34A
、34Bを組み込むことにより再生利用されるのである
が、かかる燃料は、炉心78の中間領域78C内の燃料
に比べて燃焼率の低い炉心の上下の領域78A、78B
内の燃料に、軸線方向の長さにおいて一致する。従って
、反応度の高い燃料を収容した上部及び下部の小組立体
34A、34Bを再使用することにより、より有効な燃
料の利用となる。
本発明と本発明に付随する多くの利点は、前述の説明か
ら理解されるであろう。また、本発明の精神及び範囲を
逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲にする
ことなく、形態、構成及び配列に関し、種々の変更が可
能であり、よって、以上に述べた形態は、単に本発明の
好適な実施例に過ぎないことは明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来の核燃料集合体の側面図であり、明瞭化
のために一部を切り欠き、部分的に断面図で示した図、
第2図は、本発明に従った軸線方向モジュール式燃料集
合体の分解概略図、第3図は、第2図のモジュール式燃
料集合体の上部小組立体の側面図であり、燃料棒セグメ
ントを削除して示す図、第4図は、第2図のモジュール
式燃料集合体の中間部小組立体の側面図であり、燃料棒
セグメントを備えた状態を示す図、第5図は、第2図=
21 2 のモジュール式燃料集合体の下部小組立体の側面図であ
り、燃料棒セグメントを削除して示す図、第6図は、第
3図〜第5図のモジュール式燃料集合体の小組立体で使
用される燃料棒セグメントの一実施例を示す拡大縦断面
図、第7図は、第3図〜第5図のモジュール式燃料集合
体の小組立体で使用される案内シンプルセグメントを示
す拡大縦断面図、第8図は、第2図のモジュール式燃料
集合体を軸線方向に短縮した形て示す拡大部分縦断面図
であり、1本のカラム状になった小組立体の案内シンプ
ルセグメント相互間に形成された分離可能な結合部分と
、このカラム状の案内シンプルセグメント内に貫挿され
た細長い管状固定部材とを示す図、第9図は、第8図の
隣り合った案内シンプルセグメント間の分離可能な結合
部分を示す拡大断面図、第10図は、本発明に従ったモ
ジュール式核燃料棒の別の実施例を示す分解概略図、第
11図は、第10図の燃料棒の燃料棒セグメン)・のう
ちの1つを示す拡大縦断面図、第12図は、本発明のモ
ジュール式燃料集合体から成る原子炉の炉心を示す概略
図である。図中、 32・・・モジュール式燃料集合体 34・・・小組立体 36・・・案内シンプルセグメント 38・・燃料棒セグメント 44・・・案内シンプル 45・・・構造スケルトン 46・・・モジュール式燃料棒 48・・被覆管セグメント 50.52・・・端栓 54・・・燃料ペレット 特開平3 148097 (9)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、(a)軸線方向に積み重ねられた複数の小組立体を
    備え、 (b)前記小組立体の各々が、複数の細長い構造セグメ
    ントと、複数の燃料棒セグメントと、前記構造セグメン
    トに取り付けられ前記燃料棒セグメントを支持する少な
    くとも1つの支持格子とを有しており、且つ、 (c)複数の細長い構造支持部材を形成するために前記
    構造セグメントを互いに分離可能に連結する手段であっ
    て、前記小組立体の各々の前記支持格子が前記構造支持
    部材に沿って互いに軸線方向に離隔関係に配置されると
    共に、隣合う前記小組立体の各々の前記燃料棒セグメン
    トが互いに軸線方向に整列された端部突合せ関係に配置
    される構造スケルトンを提供するようになっている前記
    手段を備えている、 モジュール式燃料集合体。 2、(a)軸線方向に整列された複数の燃料棒セグメン
    トと、 (b)互いに軸線方向に整列された端部突合せ関係に前
    記燃料棒セグメントを分離可能に相互結合する手段と、 を備えているモジュール式燃料棒。 3、(a)初期セットの軸線方向モジュール式小組立体
    を積重関係に組み立てて、その複数の細長い構造セグメ
    ント及び複数の燃料棒セグメントがそれぞれ、端部突合
    せ関係に整列されるようにする段階と、 (b)燃料集合体における複数の燃料棒となるように、
    隣合う小組立体の燃料棒セグメントを分離可能に相互嵌
    合させる段階と、 (c)燃料集合体における複数の構造部材となるよう、
    隣合う小組立体の複数の構造セグメントを分離可能に連
    結する段階と、 を含んでいる燃料集合体組立・再組立方法。
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