(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、燃料棒を保持するスペーサの軸方向の段数をウラン燃料集合体におけるスペーサの段数より少なくしたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項２】
プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、上部の燃料を欠如させた短尺燃料棒の本数を上記ウラン燃料集合体における短尺燃料棒の本数より多くしたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項３】
プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、上部の燃料を欠如させた短尺燃料棒の長さを上記ウラン燃料集合体の短尺燃料棒の長さより短くしたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項４】
プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、燃料集合体の下部タイプレートの冷却材流路面積を上記ウラン燃料集合体における下部タイプレートの冷却材流路面積より大きくしたことを特徴とするＭＯＸ燃料集合体。
【請求項５】
ＭＯＸ燃料集合体の最外周位置に、プルトニウムを含まない可燃性毒物入り燃料棒を配置したことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のＭＯＸ燃料集合体。
【請求項６】
制御棒挿入側と非挿入側の非沸騰水領域の幅を異にし、制御棒挿入側の最外周位置にプルトニウムを含まない可燃性毒物入り燃料棒を配置したことを特徴とする、請求項５記載のＭＯＸ燃料集合体。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載のＭＯＸ燃料集合体をプルトニウムを含まないウラン燃料集合体とともに炉心内に混在させたことを特徴とする炉心。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）に装荷する燃料集合体に係わり、特にプルトニウムを混入した燃料棒を有するＭＯＸ燃料集合体及びそのＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
原子力発電所の核燃料リサイクルとして、再処理によって取り出されたプルトニウムをウランと混合したウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料と記す）の利用がある。ＭＯＸ燃料の経済性の向上を図るため、ＭＯＸ燃料の高燃焼度化やＭＯＸ燃料の装荷率を高めるニーズがある。
【０００３】
従来のＭＯＸ燃料では、ウラン燃料と同じ燃料集合体形状を用いる例が多かった。図９はウラン燃料集合体の全体構造の一例を示す図、図１０は図９のＡ−Ａ矢視図、図１１は図９のＢ−Ｂ矢視図を示している。燃料集合体１は、通常の長尺燃料棒２、上部の燃料棒を欠如させた短尺燃料棒３、および太径ウォータロッド４をスペーサ５で９行９列に正方格子状に束ねて、これを上部タイプレート６及び下部タイプレート７に固定して燃料棒束とし、この燃料棒束をチャンネルボックス８で包囲して構成されている。長尺燃料棒２と上部タイプレート６との間には外部スプリング９が介在されている。図１０及び図１１中符号Ｃは制御棒である。従来のＭＯＸ燃料では、実績のあるウラン燃料と同じ形状の燃料を用いることで、信頼性を増してさらに製造コストを抑制することができた。
【０００４】
しかしながら、ＭＯＸ燃料とウラン燃料では核的な特性が異なるため、ウラン燃料で最適化された燃料形状をそのままＭＯＸ燃料に適用すると、各種の運転制限値に対する安全余裕のバランスが崩れる場合（ある制限値に対しては安全余裕が少なめで、別の制限値に対しては安全余裕が十分ある場合）がある。
【０００５】
一般に、ＭＯＸ燃料では、核分裂核種であるプルトニウム２３９やプルトニウム２４１の熱中性子吸収断面積がウラン２３５より大きいこと、プルトニウム２４０による中性子吸収がウラン２３８より大きいことにより中性子のエネルギースペクトルが硬くなるので、ウラン燃料集合体よりもガドリニア等の可燃性毒物の中性子吸収効果が低下したりボイド係数が増加する等の影響が生じる。これらは、経済性向上のために、プルトニウム富化度を増加させ高燃焼度化を図ったＭＯＸ燃料で顕著に見られる。したがって、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の核的特性の差から、高燃焼度化を図ったＭＯＸ燃料では、従来のＭＯＸ燃料に比べて、各種の運転制限値に対する安全余裕のバランスがより崩れ易くなる傾向にある。
【０００６】
一例を挙げると、ＭＯＸ燃料は、ボイド係数増加に伴い炉心安定性を悪化させて運転制限曲線に対する余裕を減少させるが、その一方で、無限増倍率のピーク値の低減により最小限界出力比（ＭＣＰＲ）を改善し安全余裕を増加させる。したがって、ウラン燃料で炉心安定性と最小限界出力比の安全余裕が適切なバランスで設定されていても、ＭＯＸ燃料では最小限界出力比の安全余裕は拡大するが、炉心安定性の安全余裕がより小さくなる、などの傾向が見られる。
【０００７】
したがって、ＭＯＸ燃料の安全余裕のバランスを考慮して燃料の性能を最大限発揮させるために、ＭＯＸ燃料の燃料集合体形状をウラン燃料と変えることが考えられる。
【０００８】
ＭＯＸ燃料の燃料集合体形状をウラン燃料と変えた従来技術の例として、特開平４−４８２９７号公報がある。ここでは、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の混在炉心において、ＭＯＸ燃料のチャンネルボックスの幅をウラン燃料より小さくして、チャンネルボックス間の非沸騰水（減速材）領域を拡大して中性子スペクトルを柔らかくしている。しかしながら、チャンネルボックスの幅を小さくすることは、チャンネルボックス内部の流路面積を減少させ冷却材の圧力損失を増加させるので、ウラン燃料とＭＯＸ燃料の冷却材流量配分のバランスが崩れてＭＯＸ燃料の冷却材が不足する問題が生じることとなる。
【０００９】
また、特開平９−２９２４８２号公報では、制御棒挿入側と非挿入側の非沸騰水領域の幅が異なるＤ格子燃料において、局所ピーキングの改善と反応度利得のため、チャンネルボックスの幅を縮小し燃料集合体の中心を偏心させたＳ格子について記載されており、燃料集合体形状の異なる混在炉心での燃料の共存性確保のために、下部タイプレートの冷却材流路面積を拡大するなどの圧力損失改善対策が施されている。しかしながら、ここでは、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の混在炉心については何ら言及されていない。
【００１０】
一方、ＭＯＸ燃料の可燃性毒物の中性子吸収効果の低下に対し、特開平７−３０１６８８号公報や特開平１０−１７５４４４号公報では、可燃性毒物入りウラン燃料棒を反応度価値の高い燃料集合体最外周位置に配置することが提案されている。この場合は、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の混在炉心において、最外周位置の可燃性毒物入り燃料棒の燃焼が無限格子計算の結果より早くなるという課題がある。一般に、ＭＯＸ燃料とウラン燃料の混在炉心では、ＭＯＸ燃料に隣接するウラン燃料からＭＯＸ燃料に対して熱中性子が流入することにより、ＭＯＸ燃料の最外周部の局所出力が無限格子計算の結果より増加するので、最外周位置の可燃性毒物入り燃料棒の燃焼が早くなり無限増倍率の燃焼変化が影響を受ける。さらに、制御棒挿入側と非挿入側の非沸騰水領域の幅が異なるＤ格子では、制御棒非挿入側の燃料集合体間の水ギャップ領域の幅が狭くなっているので、隣接燃料集合体からの影響を顕著に受ける。
【００１１】
以上のように、ＭＯＸ燃料で高燃焼度化を図ると、中性子エネルギースペクトルの硬化、可燃性毒物の中性子吸収効果の低下、ボイド係数の絶対値の増加等、燃料集合体の特性に変化が生じる。これにより、(1) ボイド係数の絶対値の増加に伴う炉心安定性余裕の減少、(2) 可燃性毒物の中性子吸収効果低下の課題を解決するため燃料集合体最外周に可燃性毒物入り燃料棒を配置した設計において、中性子エネルギースペクトルの柔らかい隣接ウラン集合体からの熱中性子流入で最外周位置の可燃性毒物入り燃料棒の燃焼が進み無限増倍率が影響を受ける、などの課題がある。
【００１２】
本発明はこのような点に鑑み、ウラン燃料とＭＯＸ燃料を混在した炉心において、ＭＯＸ燃料の燃料集合体形状をウラン燃料から一部変更して、圧力損失を損なわずにボイド係数を改善させること、あるいは、混在炉心において、ＭＯＸ燃料の可燃性毒物入り燃料の燃焼傾向が隣接ウラン燃料からの影響を受けずに良好な無限増倍率特性を有するような、ＭＯＸ燃料集合体を得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、燃料棒を保持するスペーサの軸方向の段数をウラン燃料集合体におけるスペーサの段数より少なくしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２に係る発明は、プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、上部の燃料を欠如させた短尺燃料棒の本数を上記ウラン燃料集合体における短尺燃料棒の本数より多くしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３に係る発明は、プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、上部の燃料を欠如させた短尺燃料棒の長さを上記ウラン燃料集合体の短尺燃料棒の長さより短くしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明は、プルトニウムを含まないウラン燃料集合体のチャンネルボックスよりもチャンネルボックスの幅が小さく形成され、上記ウラン燃料集合体とともに炉心内に混在されるＭＯＸ燃料集合体において、燃料集合体の下部タイプレートの冷却材流路面積を上記ウラン燃料集合体における下部タイプレートの冷却材流路面積より大きくしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに係る発明において、ＭＯＸ燃料集合体の最外周位置に、プルトニウムを含まない可燃性毒物入り燃料棒を配置したことを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明において、制御棒挿入側と非挿入側の非沸騰水領域の幅を異にし、制御棒挿入側の最外周位置にプルトニウムを含まない可燃性毒物入り燃料棒を配置したことを特徴とする。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のＭＯＸ燃料集合体をプルトニウムを含まないウラン燃料集合体とともに炉心内に混在させたことを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は、本発明のＭＯＸ燃料集合体の垂直方向の模式図であり、（ｂ）は炉内において上記ＭＯＸ燃料集合体と混在されるウラン燃料集合体の垂直方向の模式図であって、ＭＯＸ燃料集合体においてはチャンネルボックスの幅がウラン燃料集合体よりも小さく形成されている。上記ＭＯＸ燃料集合体とウラン燃料集合体は燃料棒径は同じであり、燃料棒の製造過程は共通である。
【００２１】
ところで、図１の（ｂ）に示すように、ウラン燃料集合体においては軸方向に配設されているスペーサ５の段数が７段であるのに対し、本発明のＭＯＸ燃料集合体においては図１（ａ）に示すように１段少なく６段としてある。
【００２２】
図２に、ＭＯＸ燃料のチャンネルボックス幅と圧力損失、混在炉心の炉心安定性減幅比の関係を示す。ＭＯＸ燃料（例  Ｓ格子）ではチャンネルボックスの幅が小さく形成されているので、ウラン燃料（例  Ｃ格子）より燃料集合体間の非沸騰水領域が拡大し、水の量が増えるので中性子のエネルギースペクトルが柔らかくなりボイド係数の絶対値を改善でき炉心安定性を改善することができる。ただし、チャンネルボックスの内幅減少（流路面積減少）に伴い、圧力損失が増加（Δ１）する。
【００２３】
次に、図３に、ＭＯＸ燃料のスペーサ段数と圧力損失、ウラン燃料及びＭＯＸ燃料の限界出力比の関係を示す。ＭＯＸ燃料（例  Ｓ格子）のスペーサをウラン燃料（例  Ｃ格子）より１段減らすと、水・蒸気の二層流の抵抗が減るので圧力損失が減少（Δ２）し、チャンネルボックスの内幅減少（流路面積減少）に伴う圧力損失増加をほぼ打ち消すこと（Δ１≒Δ２）が可能である。
【００２４】
なお、混在炉心においては、もともと無限増倍率のピーク値の低いＭＯＸ燃料の限界出力比（図３のａ点）は、無限増倍率のピーク値の高いウラン燃料（図３のｂ点）に比べて楽な値となっている。したがって、ＭＯＸ燃料のスペーサ段数を減少させても、ＭＯＸ燃料の限界出力比は悪化（図３のａ点→ｃ点）するものの、混在炉心としての限界出力比は、ウラン燃料がリミットとなっているので悪化することはない（図３でｃ点＞ｂ点）。さらに、混在炉心のボイド係数の改善はボイドがつぶれる過渡事象の限界出力比の変化幅（ΔＭＣＰＲ）を減少させるので、限界出力比の運転余裕を増加させることができる。
【００２５】
これにより、ＭＯＸ燃料ではウラン燃料より燃料集合体間の非沸騰水領域が拡大し水の量が増えるので中性子のエネルギースペクトルが柔らかくなりボイド係数の絶対値を改善できるので、ボイドがつぶれる過渡特性（負荷遮断など）や炉心安定性が改善される。さらに、水・蒸気の二層流の抵抗となるスペーサの段数を減らしているので、チャンネルボックスの内幅減少（流路面積減少）に伴う圧力損失増加を打ち消すことができる。特に上部のスペーサ段数を減らすと、スペーサによる液滴のミキシング効果（液滴がスペーサで攪拌され燃料棒表面の液膜に付着する効果）が減少し限界出力が悪化する場合があるが、ＭＯＸ燃料はウラン燃料に比べて無限増倍率のピーク値が小さくウラン燃料よりも限界出力が楽になる傾向があるので、スペーサの段数を減らしても限界出力の安全余裕がウラン燃料に比べて大きく悪化することはない。
【００２６】
図４（ａ）は、本発明のＭＯＸ燃料集合体の断面図であり、（ｂ）は炉内において上記ＭＯＸ燃料集合体と混在されるウラン燃料集合体の断面図であって、ＭＯＸ燃料集合体においてはチャンネルボックスの幅がウラン燃料集合体よりも小さく形成されている。
【００２７】
ところで、図４（ｂ）に示すように、ウラン燃料集合体においては短尺燃料棒３が外周から２列目の各辺に３本、合計８本配設されているのに対し、本発明のＭＯＸ燃料集合体では、図４（ａ）に示すように、互いに隣接する２辺の中央部の短尺燃料棒３を結ぶ位置に２本の短尺燃料棒３が配設され、合計１２本に増加されている。
【００２８】
これにより、ＭＯＸ燃料ではウラン燃料より燃料集合体間の非沸騰水領域が拡大し水の量が増えるので中性子のエネルギースペクトルが柔らかくなりボイド係数の絶対値を改善でき、第１の実施例と同様の効果がある。さらに、軸方向上部の冷却材流路面積が増加しているので、チャンネルボックスの内幅減少（流路面積減少）に伴う圧力損失増加を打ち消すことができる。また、上部の水対燃料原子数比（Ｈ／ＨＭ）が大きくなるので、よりボイド係数を改善する効果もある。
【００２９】
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す図であって、スペーサの段数は図１（ｂ）に示すウラン燃料集合体と同じであるが、本発明の第３の実施の形態のＭＯＸ燃料集合体はウラン燃料集合体よりも短尺燃料棒の長さがスペーサ１段分短くなっている。
【００３０】
これにより、ＭＯＸ燃料ではウラン燃料より燃料集合体間の非沸騰水領域が拡大し水の量が増えるので中性子のエネルギースペクトルが柔らかくなりボイド係数の絶対値を改善でき、第１の実施例と同様の効果がある。さらに、短尺燃料棒３が短いことにより軸方向上部の冷却材流路面積が増加しているので、チャンネルボックスの内幅減少（流路面積減少）に伴う圧力損失増加を打ち消すことができる。また、上部の水対燃料原子数比（Ｈ／ＨＭ）が大きくなるので、第２の実施の形態同様、よりボイド係数を改善する効果もある。
【００３１】
図６（ａ）  本発明の第４の実施の形態を示す図例の燃料集合体の下部タイプレートの平断面図、図６（ｂ）は炉内において上記ＭＯＸ燃料集合体と混在されるウラン燃料集合体の下部タイプレートの平断面図であって、下部タイプレート７には各燃料棒３の下部端栓が挿入支持される下部端栓挿入穴１１が設けられており、上記下部端栓挿入穴１１の列及び行の間には冷却材流路用の穴が穿設されている。
【００３２】
ところで、ウラン燃料集合体の下部タイプレートにおいては、図６（ｂ）に示すように、丸穴状の冷却材流路用の穴１２aが形成されているのに対し、本発明のＭＯＸ燃料集合体の下部タイプレートにおいては、図６（ａ）に示すように、ほぼ四角形の冷却材流路用の穴１２bが形成されている。そして、本発明におけるＭＯＸ燃料集合体の方がウラン燃料集合体よりも下部タイプレートの冷却材流路面積が大きくなるように形成されている。
【００３３】
しかして、ＭＯＸ燃料ではウラン燃料より燃料集合体間の非沸騰水領域が拡大し水の量が増えるので中性子のエネルギースペクトルが柔らかくなりボイド係数の絶対値を改善でき、第１の実施の形態と同様の効果があるばかりでなく、さらに、下部タイプレートの冷却材流路面積が増加しているので、チャンネルボックスの内幅減少（流路面積減少）に伴う圧力損失増加を打ち消すことができる。
【００３４】
また、図７は本発明の第５の実施の形態を示す断面図であり、斜線で示す可燃性毒入り燃料棒１０が燃料集合体の最外周に配置されている。
【００３５】
これにより、第１の実施例と同様の効果があることに加えて、ＭＯＸ燃料の可燃性毒物入り燃料棒の本数を１４本から８本まで減らすことが出来るので、その分ＭＯＸ燃料棒本数を増加でき、燃料集合体平均のＰｕＯ２富化度を高め経済性を向上することができる。このＭＯＸ燃料集合体は、非沸騰水領域が拡大し中性子のエネルギースペクトルが柔らかくなっているので、隣接ウラン燃料集合体からの熱中性子流入量を低減でき、ＭＯＸ燃料集合体の最外周位置に配置した可燃性毒物入り燃料棒の燃焼の進行が無限格子計算よりも促進される効果を抑えることができ、無限増倍率の計算誤差を小さくできる。
【００３６】
図８は、本発明のさらに第６の実施の形態を示す断面図であり、制御棒挿入側と非挿入側の非沸騰水領域の幅が異なるＤ格子のＭＯＸ燃料において、可燃性毒物入り燃料棒１０が制御棒挿入側の燃料集合体最外周位置に配置されている。
【００３７】
このような燃料集合体では、制御棒非挿入側の非沸騰水領域の幅が狭く隣接ウラン燃料集合体からの熱中性子流入量が多いので、最外周位置に配置した可燃性毒物入り燃料棒の燃焼の進行が無限格子計算よりも促進される効果を抑えることが比較的難しいが、制御棒挿入側の燃料集合体最外周位置に可燃性毒物入り燃料棒１０を配置し、制御棒非挿入側の最外周位置には配置しないことで、無限増倍率の計算誤差が大きくなるという問題を回避することもできる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ウラン燃料とＭＯＸ燃料を混在した炉心において、ＭＯＸ燃料の燃料集合体チャンネルボックスの幅をウラン燃料より小さくし、圧力損失を改善する種々の対策、すなわち、スペーサ段数の減少、短尺燃料棒本数増加または長さの削減、下部タイプレートの冷却材流路面積の増加、などを行うことにより、圧力損失を損なわずにボイド係数を改善し安全余裕のバランスを改善することができる。同時に、ＭＯＸ燃料の非沸騰水領域の拡大は隣接ウラン燃料からの影響を削減できるので、可燃性毒物入り燃料棒の最外周配置を採用でき、燃料集合体当たりのＰｕ装荷量を高め経済性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明のＭＯＸ燃料集合体の第１の実施の形態を示す垂直方向の模式図、（ｂ）は炉内において上記ＭＯＸ燃料集合体と混在されるウラン燃料集合体の垂直方向の模式図。
【図２】チャンネルボックス幅と圧力損失、炉心安定性の関係を示す図。
【図３】スペーサ段数と圧力損失、限界出力の関係を示す図。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の燃料集合体の第２の実施例を示す断面図、及び炉内において上記ＭＯＸ燃料集合体と混在されるウラン燃料集合体の断面図。
【図５】本発明の燃料集合体の第３の実施の形態を示す垂直方向の模式図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第４の実施の形態のＭＯＸ燃料集合体及びウラン燃料集合体の下部タイプレートの平断面図。
【図７】本発明の第５の実施の形態を示す平断面図。
【図８】本発明の第６の実施の形態を示す平断面図。
【図９】沸騰水型原子炉の燃料集合体の縦断面図。
【図１０】図９のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図１１】図９のＣ−Ｃ矢視断面図。
【符号の説明】
１  燃料集合体
２  長尺燃料棒
３  短尺燃料棒
４  太径ウォータロッド
５  スペーサ
６  上部タイプレート
７  下部タイプレート
８  チャンネルボックス
９  外部スプリング
１０  可燃性毒入り燃料棒
１１  下部端栓挿入穴
１２a、１２ｂ  冷却材流路の穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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