压水堆电厂全厂断电事故影响分析.docx
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压水堆电厂全厂断电事故影响分析
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压水堆电厂全厂断电事故影响分析
2017年度申报专业技术职务任职资格
评审答辩论文
题目:
压水堆电厂全厂断电事故的影响分析
作者姓名:
周舟
单位:
中核运行公司运行二处
申报职称:
高级工程师
专业:
核电厂运行
二○一七年5月25日
导师推荐意见:
论文从核电厂全厂断电后的影响展开论述,对核电厂全厂断电后导致堆芯损伤、以及主泵密封损坏泄漏的事故进程进行了详尽的分析,并给出了全厂断电时的处理策略,对全厂断电的事故处理有极高的指导意义。
导师签名:
压水堆电厂全厂断电事故的影响分析
周舟
(中核核电运行管理有限公司运行二处浙江省海盐县)
摘要:
全厂断电事故对堆芯的完整性以及反应堆三道安全屏障的完整是个巨大的威胁,在核电站的设计中,虽通过各类设计改进,通过增加附加电源,改进了供电方式等方法来提高电厂供电的可靠性,但是全厂断电事故还是有必要进行研究分析。
本文主要以方家山核电机组为模型,通过假设工况,宏观的分析在全厂断电后诱发严重事故过程中堆芯的事故进程,并提出应对全厂断电事故的处理策略,对全厂断电事故的预想及处理策略具有重要意义。
关键字:
压水堆全厂断电严重事故
Analysisoftheimpactofthestationblackout(SBO)
Abstract:
SBOfortheintegrityofthereactorcoreandreactorthreesecuritybarrierintegrityisahugethreat,inthedesignoftheplant,throughallkindsofdesignimprovement,byaddingadditionalpowersupply,improvethepowersupplymethodandothermethodstoimprovethereliabilityofpowersupply,butthefactorypoweroutageornecessaryforthispaperNuclearpowerunitsforthemodelinthispaper,houseofIsraelmountain,byassumingoperatingmode,macroanalysisinduceseriousaccidentwhenthepowerisintheplantofcoreintheprocessoftheaccidentprocess,power-offaccidenthandlingstrategy,putforwardtheresponsetotheplantforpowerplantaccidentforecastandtreatmentstrategiesisofgreatsignificance.
Keywords:
Pressurizedwaterreactorthestationblackout(SBO)Seriousaccident
1.方家山核电机组电源系统简介
1.1简介
方家山1、2号机组在设计时,以设计基准事故为基础,安全分析和设计过程中考虑了纵深防御体系原则,同时增加了第五台柴油发电机,作为全厂断电的附加电源,后期按福岛改进项又增加了移动柴油发电机,大大增加了供电可靠性。
方家山核电机组电源系统组成如下图所示。
包括:
主发电机组、主外电网、辅助外电网及应急柴油发电机组。
正常运行时,整个辅助设备的配电系统由机组的24kV母线经高压厂用变压器供电。
方家山核电机组电源系统示意图一
1.2全厂断电定义
全厂断电也称SBO,是一种超设计基准的情况,它是由以下原因引起的:
---全厂断电,一种典型的情况是发生在电网共模故障后两台柴油发电机组启动失败;
---或者失去两组应急配电盘LHA和LHB。
在一个应急配电盘上发生一个电气故障后,机组过渡到后备模式。
在修复第一组配电盘期间,第二组也发生故障。
2.全厂断电后对堆芯的影响分析
2.1全厂断电事故导致堆芯和安全壳损伤的分析;
全厂断电事故是可能导致堆芯损伤的一类严重事故。
事故进程基于以下假设条件下分析:
(1)所有电动的专设安全设施失效;
(2)汽动辅助给水泵失效;
(3)主泵轴封处没有泄漏;
(4)事故进程中操纵员没有实施任何干预。
全厂断电事故发生后,发电机带厂用电失败,主泵失电开始惰转,一回路冷却剂流量迅速下降,开始自然循环。
由于蒸汽发生器(SG)二次侧丧失给水而逐渐出现沸腾,当SG二次侧压力达到大气释放阀和安全阀开启整定值时,大气释放阀和安全阀打开向外排汽。
随着蒸汽发生器二次侧水位的降低甚至干涸,一回路逐渐丧失热阱,自然循环终止,引起主冷却剂升温升压。
由于冷却剂的热膨胀效应,使得稳压器水位上升,一回路压力随着温度迅速上升,直至稳压器卸压阀开启。
冷却剂通过卸压阀排至卸压箱,当卸压箱压力达到MPa时,爆破膜爆破,大量冷却剂释放到安全壳中,大量的水和蒸汽在安全壳内迅速扩散导致安全壳内压力迅速上升。
堆芯由于得不到冷却剂补充,剩余冷却剂不断蒸发,液位迅速下降,堆芯出现沸腾并且开始裸露。
堆芯裸露后传热进一步恶化,锆合金与饱和蒸汽发生剧烈反应,产生的大量氧化热进一步加剧了堆芯温度的上升,同时伴有大量氢气产生。
于是控制棒、燃料包壳和支撑结构首先出现熔化,随后燃料开始熔化并且向下坍塌。
该阶段可能会存在蒸汽发生器U形管顶部热应力失效,使放射性物质直接通过二回路释放到环境。
堆熔混合物随着下支撑板的失效掉入下腔室。
当大量的熔融堆芯塌陷到下腔室,其表面与下腔室的水发生淬火,快速的淬火速度甚至可能造成蒸汽爆炸。
一旦下封头的堆芯碎渣不可冷却,下封头的结构就逐渐开始失效。
如果失效时压力容器内压力足够低,熔融堆芯将在重力的作用下跌落到堆腔中,与堆腔底部的混凝土发生反应(MCCI)。
如果失效时压力较高(与安全壳内压力差大于2MPa),熔融堆芯就在压力作用下喷射出来,即发生高压熔喷(HPME),喷射入堆腔的熔融物将发生弥散进入安全壳空间,发生安全壳直接加热(DCH)现象,造成安全壳超压威胁其完整性。
下封头失效后,压力容器及一回路内压力迅速下降到安注箱可以投入压力值。
除与少量堆芯残余物作用外,大量安注水直接流入堆坑与堆熔物接触发生反应。
上述过程将产生大量高温蒸汽和不可凝气体(氢气、一氧化碳、二氧化碳等),使得安全壳压力瞬间迅速上升。
产生的氢气等可燃气体在安全壳内不断积聚,浓度不断上升,最终可能发生燃爆,使安全壳超压失效。
安全壳失效后,放射性气体和气溶胶将释放到环境中。
在以上严重事故进程中,操纵员将采取各种措施缓解事故,来维持放射性屏障的有效性。
即使压力容器破损,但随着时间的推移,恢复AC电源,启动安全壳喷淋系统有可能继续保持安全壳的完整性。
恢复AC电源后,安全壳内的压力和温度会迅速地降低,且安全壳内蒸汽浓度减少的同时,相应也增加了氢气的浓度,这样就增加了氢气的风险。
因此,在安全壳中需要采取相应的氢气控制措施并谨慎地实施安全壳喷淋,以预防和缓解氢气燃烧可能带来的风险。
通过对全厂断电后堆芯和安全壳损伤的分析,得出以下结论:
1)发生SBO事故后在无缓解措施投入的情况下,安全壳内环境条件的恶化将影响到安全壳的完整性,事故后期会发生安全壳的超压失效。
在安全壳失效之前,由于安全壳内大量水蒸气的存在使安全壳环境惰性化,使得氢气风险较小。
2)在压力容器失效前恢复AC电源,由于辅助给水的投入使一回路的温度及压力下降,触发安注系统投入,注入的冷却剂有效的淹没和冷却堆芯,使压力容器有可能继续保持完整性,从而防止堆芯熔融物与混凝的反应,减少了对安全壳完整性的威胁。
3)压力容器失效后,AC电源的恢复将启动安全壳喷淋等专设安全设施,使安全壳内蒸汽的含量大幅减少,从而相应增加了氢气的浓度。
因此,安全壳中需采取相应的氢气缓解措施,并谨慎地实施安全壳喷淋,以预防和缓解氢气燃烧可能带来的风险。
2.2全厂断电事故中出现主泵轴封泄漏时的影响分析
事故进程与上一种工况相同。
当全厂断电事故发生时,LLS柴油发电机组迅速启动并为主冷却剂泵提供轴封注入,假设LLS柴油机组启动失败,或者向主冷却剂泵提供轴封注入的延迟时间过长(超过2min),将导致主冷却剂泵的轴封损坏,造成主系统破口,堆芯自然循环终端,堆芯温度升高。
当堆芯区域的冷却剂温度逐渐达到饱和温度,主泵轴封处出现泄漏。
堆冷却剂通过主泵轴封破口和稳压器卸压阀从一回路系统喷出,引起堆芯冷却剂装量的减少。
由于泄漏流量不大,因此堆芯压力仍会在稳压器卸压阀的设定压力变化范围维持一段时间。
随后堆芯压力开始持续下降。
冷却剂持续从主泵轴封破口流出,堆芯水位下降,堆芯逐渐裸露、升温,堆芯部件达到失效温度后会形成熔碴下落。
堆芯压力逐渐降到安注箱开启压力,安注箱向堆芯注水,堆芯暂时得到冷却。
但由于压力下降较慢,注水流量不大,而且有一部分通过主泵轴封破口直接流出,没有形成对堆芯的再淹没。
随后压力壳内继续熔碴的形成和迁移的过程,逐渐熔穿压力容器下封头。
通过在SBO时出现主泵轴封泄漏时的分析,得出以下结论:
(1)全厂断电事故后果的影响随轴封破口出现的时间有所不同。
事故后较早发生的主泵轴封破口使堆芯熔化的时间提前,但出现较晚的破口,推迟了压力容器下封头熔穿的时间。
(2)在特定时刻将稳压器卸压阀打开,会使堆芯压力快速下降,安注箱能有效的投入使用,从而可以有效推迟事故进程、缓解事故后果,推迟下封头失效时间。
(3)主泵轴封失效和人为打开稳压器的卸压阀,均可使堆芯压力降低,避免了高压熔堆和安全壳直接加热的发生。
3.全厂断电事故的处理
以方家山1#机组为例,在RRA未接入时的工况下,发生全厂断电事故的处理策略,方家山全厂断电的标志是LHA和LHB上同时出现“低电压”报警。
根据DEC规程的诊断,进入H3规程,或者I4A或I4B功能减退情况下要开始执行H3规程。
规程的主要目的在于保证主泵轴封的完整性,确保一回路加硼,保持一回路冷却剂回路内的水装量并保证排除余热。
●厂内和厂外电源全部丧失
全厂断电的一种可能时电网共模故障后紧接着两台应急柴油发电机组启动失败。
之后的核蒸汽供应系统状况如下:
—控制棒插入,
—反应堆冷却剂在自然循环方式运行,
—通过LLS供电的试验泵从PTR水箱汲水给水注入主泵轴封,
—上充管路开启,下泄管路关闭,
—蒸汽发生器由ASG汽动泵供水,
—GCT向大气排除余热。
剩下的可使用的执行机构是那些与ASG流量控制有关的:
汽动给水泵转速控制,GCT大气排放阀控制,RIS试验泵流量及排放压力的就地调节,以及轴封注入功能向上充功能的就地切换。
主要控制回路除了已消耗的蓄电池还应由LLS应急盘重新供电。
从降功率开始到RRA未连接的中间停堆可分为三个阶段完成:
—第一阶段:
(如果在带功率运行或热停堆时执行了H3规程约6小时),稳压器水位保持在约10%(一回路冷却剂收缩量由轴封注入平衡),一回路冷却剂温度为190℃。
—第二阶段:
稳压器注水并保持在50%水位,同时一回路冷却剂温度保持恒定。
—第三阶段的一定时候,一回路压力在稳压器热损失的影响下降低。
一回路压力保持在45bar以上以避免一回路中的氮气释放。
在一回路冷却剂温度190℃的初始状态,由GCTa大气排放将温度保持在该值。
在相应的一回路压力,试验泵9RIS011PO可通过补偿泄漏来保持一回路压力和一回路水装量。
●只失去厂内电源
在一个事故配电盘(LHA或LHB)发生电气故障后,机组切换到后备模式。
在检修过程中第二个配电盘也发生故障。
这可以成为失去事故配电盘的一个假设。
因为失去RRI和RCV,主泵跳闸。
NSSS的情况和完全失去电源时一样。
然而所有的有用控制和信息仍可得到。
实际上,只要失去LHA和LHB配电盘,直流配电盘即从LGB或LGC切换到备用电源,另外,LNA、LNB、LNC、LND将通过LNE360CR重新供电。
3.1NSSS的处理
●控制棒组因失去CRDM电源系统已经落下。
-在P7(10%RP)以上,如场外电源丧失,反应堆紧急停堆将自动触发(因反应堆冷却剂泵转速低)。
-在P7(10%RP)以下,必那须手动触发并确认紧急停堆。
●在只失去两个厂内电源的情况下,失去对主泵轴承的冷却功能使造成主泵在几分钟内跳闸,如果反应堆初始状态为带功率运行,则会造成事故停堆。
否则应手动干预进行使迅速主泵跳闸和反应堆事故停堆。
●LHA和LHB同时断电时,LLS柴油发电机组自动启动,配电盘9LLS001AR电压正常后9RIS011PO自动启动,从PTR水箱吸水,以6m3/h的流量为主泵提供轴封。
●如果一台LLS柴油发电机组启动失败,将发出启动失败信号并自动启动另一台柴油发电机,此时,需要手动将水压试验泵投入RCV上充配置。
●蒸发器水位由ASG系统控制,可在主控或就地调节流量或者启、停汽动泵;注意采用IASG9给ASG水箱补水。
●为避免稳压器排空,如果水位降至10%,调节冷却梯度使有效注入量(流量注入减去回流和其他小的泄漏)和收缩量互平衡。
这从控制室调节GCT大气排放阀来完成。
●28℃/h的冷却梯度是为了在下面两种情况之间寻求平衡,一方面是快速达到一个保证密封强度和无密封水注入时一样的温度,另一方面是反应堆容器封头下上封头变空的危险。
而且,只在一回路压力低于70bar时有这个危险。
通过调整GCT大气阀的开度来得到该冷却梯度。
●必须降密封水注入流量以避免稳压器内因活塞效应造成的压力上升。
然而,必须保持足够流量以保证:
-证主泵密封自有“冷”水供应,
-稳压器水位稍稍上升(以保补偿一回路冷却剂的泄漏),
-一回路冷压力保持在70bar之上。
●事故开始时RRM已经失效。
反应堆容器封头的温度可能约为280℃,如果不注意这个压力值(70bar)。
反应堆封头下会形成气泡(上封头变空),稳压器不再起压力调节作用。
●当稳压器水位在客观存在50%时,密封水注入再次减少。
调整密封水注入以保持稳压器水位稳定在达到值的上下。
泵流率不应降到零以保持密封的冷却。
必须避免稳压器充满,以不给稳压器泄压阀增加压力,稳压器水保持恒定。
水压试验泵流量补偿1号密封泄漏量并保证其冷却。
3.2电源的处理
●把RCV061VP(密封水注入调节阀)置于全开位置以避免失去压缩空气或48VDC时的位置变化或水压试验泵流量的扰动。
●配电箱LNE360CR给实施H3规程所需的执行机构和传感器(见附录1中的清单)重新供电,如主控制室的应急照明,PAMS1、2的设备,本规则的执行过程中需要使用并要求保持有效的设备,RPS的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ保护组以及NSSS仪表和对应BUP上的记录仪。
该配电箱的220VAC由下列电源应急重新供电:
-LLS柴油发电机运行时,由机柜9LLS001AR提供。
-LLS柴油发电机不能启动时,可由另一机组的LNE360CR提供。
而一旦选择这种重新供电方式,就要保持该连接直至规程结束,即使在柴油发电机手动启动之后也不改变。
通过LNE360CR重新带电的操作简图见附录2。
●这些操作的目的是使LCA和LNE中对功能重要的所有馈出线尽可能长时间地供电,这些操作应尽快完成。
●当在DC配电盘(A列和B列)上首次出现低电压报警后,必须立即手动有序地切除LCA和LNE(正在经济运行)以外的所有蓄电池组。
LAA(LNE的供电电源)和LCA的电压在蓄电池组放电期间受到就地监测。
蓄电池组在下列低电压值时被切除:
LAA180V-LCA41V。
设置就地监测的原因在于LAA和LCA都会产生低电压报警。
●切除蓄电池组之前,先把应急供电执行机构的自动/手动控制站切换到手动位置。
●按下列顺序断开蓄电池组和充电器进线(以便在开始重新供电时能控制重新带电的过程):
LBJ、LNE、LNG、LNH、LNP、LCB、LBA、LNA、LNC、LBB、LNB、LND、LBM。
●RPS的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ保护组依次由配电箱LNE360CR重新供电。
●在仅LHA和LHB配电盘不可用时,DC配电盘切换到来自LGB或LGC的后备电源。
LNA、LNB、LNC、LND由LNE360CR重新供电。
LNE360CR通常由其正常电源LNE配电盘供电,而LNE配电盘则由备用电源(LKE)供电。
●必须打开厂外电源进线断路器,以避免当电压由辅助变压器或降压变压器恢复时,配电盘的任何未经控制的再带电。
●另一机组的一台柴油发电机组可通过9LHT系统给LHA(或LHB)配电盘重新供电。
-如另一机组的两台柴油发电机均可用,则优先由B系列柴油发电机供电(另一机组的A列柴油发电机必须给ASG除氧器泵供电)。
该操作在规则1中做了描述。
-不论哪一个电源恢复后,已经开始的所有连接操作都要结束,直至起码过渡到后备模式。
●GCTa的贮气罐由SAR016BA应急供气。
这种状态下SAR016BA的储备时间超过6小时,再加上GCTa压缩空气的储备时间6小时,保证了GCTa的可用。
超过这段时间,压缩空气将通过专门的接管由相邻机组供应。
作为最后措施,GCTa阀门的操作及ASG汽动辅助给水泵调节阀的控制可就地手动进行。
3.3电源恢复后的NSSS操作
●通过关闭主泵密封注入高压冷却器的RRI隔离阀【RRI210,280,283VN(RCP001PO);RRI211,281,284VN(RCP002PO);RRI212VN,282,285VN(RCP003PO)】以及主泵的再循环密封注入管线的隔离阀(从泵腔出口至高压冷却器的隔离阀)达到隔离,目的在于避免RRI重新投入运行或重新启动主泵时对主泵密封的热冲击。
●此操作的目的是恢复气动控制(SAP)、冷却(RRI、DEG)和通风(RRM、DVH、EVC、EVR)设施。
必须遵守该启动顺序。
●A列电源的恢复使上充与下泄功能恢复可用。
●RCV010VP的电磁阀由B列供电,但该阀位于安全壳外,因而能手动重新打开。
启动一台RCV泵,并让其运行在小流量管线上,然后开启上充管线。
●投入上充/下泄回路,投入一个孔板并在线至TEP。
-如果一回路硼浓度低于冷停堆所需硼浓度,且应用规程,或没有进行RCV002BA排空,则RCV002BA需要排空。
-如果一回路硼浓度高于冷停堆所需硼浓度:
RCV002BA水箱硼浓度达到冷停堆要求;或者在应用规程,或时或使用之前,RCV002BA已经排空。
-如果在RCV002BA连接之前使用规程,那么要启动一台主泵。
-上充和下泄功能恢复以后,水压试验泵的停闭必须由LLS柴油发电机的停运来实现。
●B列电源的恢复不能使上充和下泄功能得到恢复,也不能使过剩下泄恢复。
NSSS在第一阶段或第二阶段时,水压试验泵在密封注入管线上运行,以使稳压器的水位维持在20%-80%的范围;如果这样使得水压试验泵上的流量接近最大值,那么通过稳压器加热器可维持正确的压力(只要压力容器的封头未冷却,该压力的最小值为70bar)。
●另外,必须把一回路压力调节到低于121bar,以确保在二回路压力为11bar(对应于190℃)时,两者之差不超过110bar。
●NSSS在第三阶段时,水压试验泵不停运(保留向主冷却剂补水的可能性);这样就形成了气腔且压力可由稳压器的加热器控制。
●在NSSS达到第三阶段时(有可能处于单相状态),下泄管线的启动将有助于气腔的形成。
●假如主冷却剂泵密封的温度允许,由于不致再引起突然的减压,水压试验泵9RIS011PO可以停运。
3.4几种应急响应组可采用的操作
应急响应措施的实施过程中,需要保证的主要功能是:
-给主冷却剂泵注入密封水,其故障可能导致一回路冷却剂的泄漏;
-由ASG汽动辅助给水泵给蒸汽发生器提供给水;
-通过GCT进行冷却,其丧失可能导致无法达到安全的退防状态(维持饱和裕度)。
以上功能丧失的后果以及运行模式说明如下:
3.4.1失去LLS
这种情况下存在一种累积初始故障的危险,即一回路冷却剂泄漏且反应堆压力容器内的水开始汽化。
其运行模式如下:
-以最大的GCT容量冷却;一回路压力会迅速下降;
-让安注箱注水,从而确保堆芯淹没;
-不要试图恢复密封水注入,否则会产生的冷冲击可使泄漏情况恶化;
-尽快做好与相邻机组柴油发电机之间的连接以便尽快投入RIS回路;
-启动水压试验泵以前,通过下列操作完成LLS上的检查工作:
•就地关闭密封水注入隔离阀RCV060VP;
•就地打开处于水压试验配置的RCV的水压试验泵连接管线(打开阀门RCV365VP),以便分配补水流量。
注:
在双机组中的另一机组上的如下操作可实现对一个机组的柴油发电机的应急供电:
-手动关闭RCV094VP;
-从控制室启动LLS;
-就地打开两台柴油发电机的馈出线接触器。
使柴油发电机LLS001AP的馈出线接触器复位,水压试验泵由柴油发电机LLS001AP供电启动。
3.4.2失去ASG汽动辅助给水泵
电网可用时,当SG的压力允许时,应尝试通过APD或CEX给SG重新供水;有必要进行不带保护的运行。
在全厂断电的情况下,通过把GCTa阀门置于外部整定值,节约蒸汽发生器的给水,以便尽可能长时间地推迟冷却。
与此同时,迅速组织恢复电源。
3.4.3失去GCT冷却
在这种情况下,余热排出安全阀继续进行。
就地操作处于手动运行的GCT控制阀来及时冷却以便达到后备状态。
3.4.4失去9RIS011PO
这种情况下,要将两个机组的RCV上充管线相连。
其运行模式如下:
-打开RCV365VP;
-把相邻机组的上充泵吸水管线切换到PTR换料水箱;
-打开每个机组止回阀RIS288VB的旁路;
-打开RCV365VP;
-关闭RCV047VP以便通过RCV225VP调节RCV的流量。
这种状态下相邻机组将维持在退防状态。
此外,必须以最大的GCT容量进行冷却以便迅速降低一回路冷却剂压力,而且必须让安注箱注入。
3.4.5由相邻机组供电
生全厂断电事故时,若相邻机组运行正常,可以通过相邻机组向事故机组供电,具体途径如下:
●通过LNE360CR由相邻机组的电源向事故机组供电,见附录2;
●使用S0LHS规程将附加柴油发电机组向事故机组供电,见H3规程中电源控制;
通过附加柴油发电机组向事故机组供电示意图
●通过I9LHT由相邻机组的一台应急柴油发电机向事故机组供电,见H3规程中电源控制;
通过相邻机组的一台应急柴油发电机向事故机组供电示意图
●若9LHT配电盘故障,相邻机组可通过9LGIA/B向事故机组供电,如图2;
相邻机组通过9LGIA/B向事故机组供电示意图
3.4.6启动移动电源车
根据中核运行已完成的福岛改进项,中核运行一共配备2台低压移动柴油发电机,1台中压移动柴油发电机。
低压移动柴油发电机:
考虑事故的后续进程中LLS系统丧失的情况,此时需要恢复供电的符合仅为原LLS的负荷,因此在LLS柴油发动机厂房设置一端接箱(抗震级别:
1级),必要时根据应急控制中心的指令接入低压移动柴油发电机组至LLS001AR,利用原有的通道给水压试验泵配电柜供电。
中压移动柴油发电机:
在全厂断电事故后,若0LHS(1#、2#机组共用附加柴油发电机组)替换失败,可根据应急控制中心的指令接入中压移动柴油发电机组,如下图:
3.5对当前全厂失电处理规程H3的几点考虑;
1、BUP切除操作,当前仅使用建议指令,无实质操作性;建议技术对KIC电源符合
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