李 睿，任 成，＊，李聰新，孫艷飛，劉志勇，楊星團(tuán)

（1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院 先進(jìn)反應(yīng)堆工程與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.環(huán)境保護(hù)部 核與輻射安全中心，北京 100088）

在1999年美國(guó)核學(xué)會(huì)年會(huì)上，美國(guó)能源部提出了4代核能系統(tǒng)劃分的概念［1-2］，同時(shí)也選出了6種可能滿足第4代核能系統(tǒng)要求的備選堆型［3］。超高溫氣冷堆由于經(jīng)濟(jì)性、固有安全性等特點(diǎn)被認(rèn)為是最有可能滿足第4代核能系統(tǒng)要求的堆型之一［4-5］。其固有安全性體現(xiàn)在：在任何情況下堆芯余熱都能通過非能動(dòng)的方式導(dǎo)出，其中堆芯球床結(jié)構(gòu)的等效導(dǎo)熱系數(shù)在余熱導(dǎo)出過程中起主導(dǎo)作用［6］?！扒虼驳刃?dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究”是清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院（簡(jiǎn)稱核研院）承擔(dān)的國(guó)家重大科技專項(xiàng)“高溫氣冷堆核電站HTR-PM 中重要安全問題研究”課題的子課題研究?jī)?nèi)容。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得更準(zhǔn)確的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)，在HTRPM 安全分析報(bào)告中能更好地評(píng)價(jià)其安全性。

目前高溫氣冷堆球床等效導(dǎo)熱系數(shù)的大型實(shí)驗(yàn)研究很少，缺少同類實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)參考。由于在高溫、碳還原環(huán)境下存在諸多材料和結(jié)構(gòu)等工程因素限制，已有的實(shí)驗(yàn)研究都停留在1 000 ℃以下。清華大學(xué)核研院此次實(shí)驗(yàn)研究計(jì)劃將測(cè)試溫度提升到1 600 ℃，將涵蓋高溫堆事故工況的主要溫度范圍（8 00～1 600 ℃）。在高溫碳還原環(huán)境下，由于石墨對(duì)材料的滲碳反應(yīng)，多數(shù)測(cè)溫方式并不適用，必須解決高溫碳還原環(huán)境下測(cè)溫的穩(wěn)定性問題。同時(shí)，在全尺寸實(shí)驗(yàn)研究中，球床規(guī)模較大，為能準(zhǔn)確測(cè)量球床的溫度場(chǎng)，需要大量的溫度測(cè)點(diǎn)，因此測(cè)量系統(tǒng)的搭建尤為重要。

本文以HTR-PM 球床堆芯等效導(dǎo)熱系數(shù)全尺寸實(shí)驗(yàn)研究為背景，搭建測(cè)量等效導(dǎo)熱系數(shù)的溫度測(cè)量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制作合適的前端傳感器，并完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件搭建及軟件編寫，為全尺寸等效導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)做充分的準(zhǔn)備。通過實(shí)驗(yàn)獲得更準(zhǔn)確的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高中國(guó)模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)計(jì)算和安全分析的能力。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

堆芯球床等效導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置包括實(shí)驗(yàn)裝置本體、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、真空系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、升降機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等。其中，爐體主體、保溫層、加熱系統(tǒng)是測(cè)量裝置本體設(shè)計(jì)中最重要的部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過整套系統(tǒng)的運(yùn)行，可模擬高溫氣冷堆的溫度和氣體氛圍。通過測(cè)量環(huán)形球床區(qū)（圖中未畫出堆積石墨球）內(nèi)的三維溫度場(chǎng)信息，即可算得不同溫度范圍內(nèi)的堆芯球床等效導(dǎo)熱系數(shù)。

圖1 爐體剖面示意圖Fig.1 Schematic diagram of furnace profile

實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)部通過真空系統(tǒng)可使?fàn)t體內(nèi)處于真空環(huán)境，或在抽真空后充入氦氣或氮?dú)馐蛊涮幱诤饣虻獨(dú)猸h(huán)境。環(huán)形球床區(qū)內(nèi)隨機(jī)堆積著近七萬個(gè)直徑為60mm 的石墨球，石墨球直徑及球床厚度均與真實(shí)反應(yīng)堆堆芯尺寸一致，因此，構(gòu)造出的球床結(jié)構(gòu)是具有代表性的。實(shí)驗(yàn)裝置的加熱系統(tǒng)采用中心電阻式加熱方式，熱量由內(nèi)向外擴(kuò)散，通過均溫、保溫以及水冷等方式使球床測(cè)試區(qū)內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的溫度分布。理論估算表明，均溫套筒外壁（環(huán)形球床區(qū)內(nèi)壁）為測(cè)試區(qū)內(nèi)最高溫度，最高可達(dá)到1 600℃；溫度沿球床徑向逐步降低，到達(dá)側(cè)保溫層內(nèi)壁（環(huán)形球床區(qū)外壁）時(shí)約1 400 ℃，球床區(qū)徑向溫降設(shè)計(jì)為200℃左右。上下保溫層厚度遠(yuǎn)超側(cè)保溫層厚度，因此熱量在球床區(qū)內(nèi)近似一維徑向流動(dòng)。球床區(qū)域需監(jiān)控三維溫度場(chǎng)信息，采用熱電偶作為測(cè)溫元件，沿徑向均勻分布6層，每一徑向位置處周向再均勻分布5支，共30支熱電偶。每支熱電偶設(shè)計(jì)為一偶三芯方式，測(cè)點(diǎn)分為上、中、下3層，每層5×6個(gè)測(cè)點(diǎn)，共90個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示。球床區(qū)熱電偶均從底部安裝，在爐底板上采用密封圈進(jìn)行真空密封。球床區(qū)是實(shí)驗(yàn)裝置中最重要的溫度監(jiān)控區(qū)域，最高測(cè)試溫度將達(dá)到1 600 ℃，涵蓋了高溫堆安全分析中的全部溫度范圍，且熱電偶測(cè)點(diǎn)全部嵌入石墨球床中。此外，在爐體內(nèi)上、中、下保溫層內(nèi)部以及各路冷卻水回路中也將布置相應(yīng)溫度測(cè)點(diǎn)監(jiān)控，這些地方的溫度相對(duì)較低。加熱系統(tǒng)通過與前端熱電偶和采集系統(tǒng)的配合完成實(shí)驗(yàn)的測(cè)量任務(wù)。

圖2 球床區(qū)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Arrangement of measuring points in pebble bed area

2 前端傳感器的選擇

高溫石墨環(huán)境下的溫度測(cè)量是HTR-PM球床等效導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵。由于實(shí)驗(yàn)溫度范圍為0～1 600 ℃，因此要求所需的熱電偶有較大的測(cè)溫范圍。當(dāng)熱電偶處于高溫石墨環(huán)境中時(shí)，石墨對(duì)熱電偶保護(hù)套管的強(qiáng)滲碳反應(yīng)，會(huì)使熱電偶保護(hù)套管氣密性下降甚至破壞，造成熱電偶電勢(shì)漂移乃至喪失測(cè)量能力，因此對(duì)所需熱電偶的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也要有較高的要求。除承受1 600 ℃的高溫石墨環(huán)境外，由于從底部安裝，必須穿過下保溫層到達(dá)指定測(cè)點(diǎn)位置，因此對(duì)其在高溫條件下的機(jī)械強(qiáng)度要求較高。

熱電偶一般都是由偶絲、絕緣材料以及保護(hù)套管三部分組成。不同部分材料的性能指標(biāo)對(duì)熱電偶的性能也會(huì)產(chǎn)生影響，其中偶絲的選擇是整個(gè)熱電偶能否完成測(cè)量任務(wù)的關(guān)鍵。對(duì)于要求能在1 600 ℃碳還原環(huán)境中穩(wěn)定工作，國(guó)際電工委員會(huì)推薦的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶并不能完全滿足要求［7］。因此本文將非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶作為選擇方案，測(cè)溫方式為接觸式的熱電偶中溫度最高的鎢錸熱電偶［8-9］。它可在2 000 ℃下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，測(cè)溫范圍滿足所需的溫度要求。

針對(duì)熱電偶要求有大的測(cè)溫范圍、較高的機(jī)械強(qiáng)度以及高溫石墨環(huán)境下有較高的穩(wěn)定性這3個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，本文做如下技術(shù)處理：

1）由于熱電偶的測(cè)溫范圍與偶絲的直徑相關(guān)，偶絲越粗，耐受溫度越高，所以首先增大鎢錸偶絲的直徑，盡量提高其使用溫度。

2）采用鍛打鉬管做保護(hù)套管，這種鉬管和常用鉬保護(hù)管的區(qū)別是通過鍛打增加了金屬鉬的致密性，通過機(jī)械鉆孔使鉬棒形成厚壁鉬管，從而增強(qiáng)其耐用性。

3）偶絲用高純氧化鋁柱絕緣，氬氣填充保護(hù)套管間隙，減少高溫條件下碳在介質(zhì)中的擴(kuò)散，盡量減少偶絲和碳元素的接觸，增強(qiáng)其在高溫碳還原環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

4）由于球床導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置中球床區(qū)的高溫測(cè)點(diǎn)有90個(gè)，分上、中、下3層，為減少在爐體下端蓋上的開孔數(shù)量，所以采用一偶三芯的設(shè)計(jì)方案。

在以上處理的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)并制作了特制的鎢錸熱電偶以滿足實(shí)驗(yàn)需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。與此同時(shí)對(duì)熱電偶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖4所示。在偶絲的連接點(diǎn)處，除球形焊點(diǎn)外，增加了一個(gè)捆綁結(jié)構(gòu)，即使焊點(diǎn)在高溫條件下碳化導(dǎo)致2 種偶絲接觸變差，通過保證2種偶絲的有效接觸，也可增加熱電偶信號(hào)的穩(wěn)定。

圖3 鎢錸熱電偶設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of tungsten-rhenium thermocouple

圖4 鎢錸熱電偶內(nèi)部改進(jìn)設(shè)計(jì)Fig.4 Improvement of tungsten-rhenium thermocouple internal design

最終采用鍛打鉬管作保護(hù)套管、采用粗偶絲提高使用壽命、焊點(diǎn)采用焊接加機(jī)械捆綁、絕緣采用高純細(xì)氧化鋁管、套管抽真空并充入氬氣保護(hù)的設(shè)計(jì)方案。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是進(jìn)行后期實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，為提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度和增加對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的把控，所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均完全采用自主設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括前端傳感器、數(shù)據(jù)采集硬件和計(jì)算機(jī)軟件三部分。球床等效導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置數(shù)據(jù)采集的難點(diǎn)和重點(diǎn)是高溫碳還原環(huán)境下的溫度測(cè)量，第2節(jié)已解決了溫度傳感器的問題。本節(jié)重點(diǎn)討論數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。

球床導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件全部采用美國(guó)NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件開發(fā)也采用NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相應(yīng)的Lab-VIEW 軟件。

3.1 采集系統(tǒng)硬件

基本設(shè)計(jì)思路是針對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置上提供的基本測(cè)控信號(hào)類型，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。同時(shí)，采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須具有一定的靈活性，以應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置本體測(cè)控信號(hào)的變動(dòng)。

經(jīng)過設(shè)計(jì)分析，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的測(cè)控主要包括鎢錸熱電偶信號(hào)采集、K 型熱電偶信號(hào)采集、模擬信號(hào)（加熱功率、冷卻水流量等的控制）的輸出、模擬信號(hào)（冷卻水流量、壓力、真空度等）的輸入、數(shù)字信號(hào)（加熱系統(tǒng)超溫、冷卻水失壓等報(bào)警信號(hào)）輸入以及數(shù)字信號(hào)（控制一些開關(guān)量和繼電器）的輸出6類信號(hào)。

根據(jù)之前的思路設(shè)計(jì)和信號(hào)分析，所配置的硬件系統(tǒng)由一套標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)采集設(shè)備PXI機(jī)箱和一套隔離信號(hào)（信號(hào)調(diào)理）采集設(shè)備SCXI機(jī)箱共同組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、連接方式以及模塊配置如圖5所示。

圖5 NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成Fig.5 Structure of NI data acquisition system hardware

硬件配置方面采用PXIe-1075機(jī)箱、PXIe-8108控制器、SCXI1001 信號(hào)調(diào)理機(jī)箱和其中的12 個(gè)SCXI-1125 隔 離 溫 度 采 集 模 塊、1 個(gè)PXIe-4353熱電偶采集模塊和PXIe-6363多功能卡。具體采集任務(wù)分配如下：

1）每個(gè)SCXI-1125板卡由8 個(gè)隔離溫度采集通道組成，12 個(gè)模塊采集96個(gè)鎢錸熱電偶的電壓信號(hào)。

2）PXIe-4353板卡配置為K 型熱電偶采集方式，可采集32個(gè)通道低溫溫度信號(hào)。

3）PXIe-6363多功能卡完成其他數(shù)據(jù)采集和控制任務(wù)，模擬輸入輸出均配置為差分輸入方式，共有16個(gè)電壓輸入通道，加熱系統(tǒng)電壓、電流、真空壓力、冷卻水流量等采集可通過這些通道完成；4個(gè)模擬電壓輸出通道用于模擬量控制。該多功能卡的48個(gè)數(shù)值輸入輸出通道可分別配置為輸入或輸出，根據(jù)系統(tǒng)要求，具體將16個(gè)配置為數(shù)值輸入通道；32個(gè)配置為數(shù)值輸出通道。

在配置了采集信號(hào)類型對(duì)應(yīng)的物理通道以后，測(cè)量裝置中的測(cè)量信號(hào)只需接入相應(yīng)的通道即可完成測(cè)量，并可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求隨時(shí)增加、減少所需測(cè)量的量。所有采集參數(shù)根據(jù)具體采集個(gè)數(shù)按照順序存儲(chǔ)，每列為1個(gè)時(shí)間點(diǎn)，每行為1個(gè)采集時(shí)刻。在采集時(shí)間記錄方面，除記錄采集絕對(duì)時(shí)間的字符串外，還記錄1個(gè)與實(shí)驗(yàn)開始時(shí)刻相關(guān)的相對(duì)時(shí)間，該時(shí)間采用相對(duì)開始時(shí)刻的秒數(shù)記錄，精確到毫秒，以方便數(shù)據(jù)處理。

3.2 采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模式是軟件實(shí)踐中通用的程序框架，本質(zhì)是一種對(duì)相似問題進(jìn)行總結(jié)的代表性程序開發(fā)規(guī)范。由于球床導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)雜性和程序的通用性，軟件設(shè)計(jì)過程中充分考慮了設(shè)計(jì)模式。在LabVIEW 程序編寫中，主要采用了生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式與隊(duì)列模式相結(jié)合。數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)采用了基于數(shù)據(jù)隊(duì)列的生產(chǎn)者／消費(fèi)者模式，保證數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能的完成?？刂谱兞枯敵雠c用戶界面操作相關(guān)，由于輸出時(shí)間的隨機(jī)性，將輸出時(shí)間與用戶界面的其他操作一起，采用了消息隊(duì)列結(jié)構(gòu)。

設(shè)計(jì)完成后的軟件主要由主顯示界面、通道配置界面、控制和狀態(tài)顯示界面、存儲(chǔ)文件查看界面4部分組成。

主顯示界面如圖6所示。在主顯示界面的左側(cè)有3個(gè)數(shù)據(jù)表，分別顯示球床導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量裝置球床中的上、中、下3層熱電偶，每個(gè)數(shù)據(jù)表的每行為1組徑向溫度測(cè)量，共5組，代表周向的5組測(cè)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)表的右側(cè)為與測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的繪圖選擇標(biāo)記，若需繪圖則打鉤，每層熱電偶用1種顏色表示，在右側(cè)繪圖區(qū)域中動(dòng)態(tài)顯示打鉤的測(cè)點(diǎn)溫度變化。同理，K 型熱電偶單獨(dú)編為1組，也采用同樣的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和繪圖。

圖6 采集系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of acquisition system

主顯示界面下方為加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)顯示，這些參數(shù)是系統(tǒng)運(yùn)行過程中的主要關(guān)心參數(shù)。

右下角為實(shí)驗(yàn)的基本操作，為使軟件運(yùn)行過程中無過多外界干預(yù)，只有系統(tǒng)自檢、開始實(shí)驗(yàn)和退出幾個(gè)按鈕。

通道配置界面如圖7所示。存儲(chǔ)設(shè)置包括采集速率、存儲(chǔ)路徑和單個(gè)文件長(zhǎng)度。其余為6種信號(hào)的配置信息表，所有通道均有一個(gè)默認(rèn)名稱，在通道存儲(chǔ)名稱不單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，可直接采用默認(rèn)名稱存儲(chǔ)。根據(jù)信號(hào)不同，設(shè)置的內(nèi)容也不相同，鎢錸熱電偶、K型熱電偶、數(shù)值輸入輸出通道只需設(shè)置通道數(shù)目和存儲(chǔ)名稱即可，模擬輸入輸出通道需設(shè)置相應(yīng)的量程變換。

控制和其他參數(shù)顯示界面如圖8所示，該界面中顯示的通道數(shù)目與參數(shù)設(shè)計(jì)界面中設(shè)置的通道數(shù)目自動(dòng)保持一致。輸出值的設(shè)置改變后，立即發(fā)送數(shù)值改變消息將相應(yīng)控制變量輸出。

圖7 采集系統(tǒng)配置參數(shù)界面Fig.7 Acquisition system interface for configuration parameter

圖8 采集系統(tǒng)控制界面Fig.8 Control interface of acquisition system

存儲(chǔ)文件查看界面如圖9所示，主要便于查看已存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。文件存儲(chǔ)列表中列出所有存儲(chǔ)的文件，選擇相應(yīng)文件，通道選擇列表即列出該文件中存儲(chǔ)的所有測(cè)量通道數(shù)據(jù)。通道選擇是一個(gè)復(fù)選框，可選擇多個(gè)通道數(shù)據(jù)繪圖。

波形圖中繪出相應(yīng)通道數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化。

圖9 存儲(chǔ)文件查看界面Fig.9 Interface for storing files

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

球床等效導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)裝置是一項(xiàng)大型實(shí)驗(yàn)工程，規(guī)模較大，建設(shè)周期較長(zhǎng)，目前仍在建設(shè)之中。為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的可行性，前期建造了一個(gè)比例縮小的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置，用于對(duì)實(shí)驗(yàn)中將用到的材料、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行先期考驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證裝置的結(jié)構(gòu)與最終實(shí)驗(yàn)裝置基本相同，如圖10a所示，僅在徑向尺寸上有所縮小，內(nèi)部所用材料、氣體氛圍、試驗(yàn)參數(shù)與最終設(shè)計(jì)一致，圖中T0～T13為溫度測(cè)點(diǎn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10b所示。由圖10b可見，均溫套筒及環(huán)形測(cè)試區(qū)內(nèi)溫度達(dá)到了設(shè)計(jì)溫度1 600 ℃，保溫層內(nèi)形成了穩(wěn)定的溫度梯度。實(shí)驗(yàn)過程經(jīng)歷了升溫、保溫、降溫全過程，溫度測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖10 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Result of validation experiment

4 結(jié)束語

本文以HTR-PM 球床堆芯等效導(dǎo)熱系數(shù)全尺度實(shí)驗(yàn)研究為背景，采用穩(wěn)妥的技術(shù)路線完成了對(duì)高溫氣冷堆等效導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，解決了高溫（1 600 ℃）石墨環(huán)境下導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量中存在的諸多工程技術(shù)問題，完成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件搭建、軟件編寫，為全尺寸等效導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)做好了充分的準(zhǔn)備。為通過實(shí)驗(yàn)獲得更為準(zhǔn)確的球床等效導(dǎo)熱系數(shù)，從而提高中國(guó)模塊式高溫氣冷堆設(shè)計(jì)計(jì)算和安全分析的能力奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 吳宗鑫，張作義.先進(jìn)核能系統(tǒng)和高溫氣冷堆［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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