(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
十字型制御棒と、それを囲む２行２列、４体の燃料集合体の組とで構成される単位格子のセルから、前記燃料集合体を取出す原子炉の燃料取出し方法であって、
４体の前記燃料集合体が装荷され、前記十字型制御棒が全挿入されている状態から、まず、セルの対角２体の前記燃料集合体を引き抜き、次に、前記十字型制御棒を、該十字型制御棒の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ引き抜き、最後に残り２体の燃料集合体を引き抜くことを特徴とする原子炉の燃料取出し方法。
【請求項２】
十字型制御棒と、それを囲む２行２列、４体の燃料集合体の組とで構成される単位格子のセルの前記燃料集合体を交換する原子炉の燃料交換方法であって、
４体の前記燃料集合体が装荷され、前記十字型制御棒が全挿入されている状態から、まず、セルの対角２体の前記燃料集合体を引き抜き、次に、前記十宇型制御棒を、該十字型制御棒の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ引き抜き、この状態から残り２体の前記燃料集合体を引き抜き、その後、新しい燃料集合体の２体を互いに対角になるように装荷し、次に、十字型制御棒を全挿入し、最後に残り２体の新しい燃料集合体の２体を対角に装荷することを特徴とする原子炉の燃料交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法に係り、特に、十字型制御棒と、それを囲む２行２列、４体の燃料集合体の組とで構成される単位格子（セル）の集合により構成され、沸騰水型原子炉に好適な原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１乃至図３に本発明の適用対象である沸騰水型原子炉の概略構成を示す。
【０００３】
該図に示す如く、沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器１内に設置された円筒形状の原子炉シュラウド２と、この原子炉シュラウド２の内部に格納された炉心３と、原子炉シュラウド２の上部に設置された気水分離器４と、この気水分離器４の更に上部に設置された蒸気乾燥器５とを備えて概略構成されている。
【０００４】
炉心３は、上部格子板６と炉心支持板７に設置した燃料支持金具(図示せず)との間に、四角柱をした複数（図２では８７２体）の燃料集合体９が所定間隔で配置されている。これら燃料集合体９の間には、原子炉圧力容器１の下部に設置された制御棒駆動機構１０で駆動される複数（燃料集合体９の４体に対し１本程度の割合であり、図２では２０５本）の十字型制御棒１１が配置されている。この十字型制御棒１１は、制御棒案内管１２をガイドにして上下方向（図１の上下方向）に抜き差し可能で、これにより炉心３の出力を制御できる。
【０００５】
原子炉圧力容器１内の冷却水（軽水）は、原子炉圧力容器１の下部に設けた再循環ポンプ（インターナルポンプ）１４によって、炉心３下部の下部プレナム１５に流入し、ここから上昇して炉心３内に流入するようになっている。炉心３内の冷却水は、燃料集合体９に備えられた燃料棒１６に含まれる核分裂性物質の核分裂反応により加熱され、蒸気と飽和水の気液混合流となって上昇しシュラウドヘッド１７に流入する。
【０００６】
その後、気水分離器４によって水と分離された蒸気は、蒸気乾燥器５で乾燥され、原子炉圧力容器１の主蒸気管１８から流出してタービン（図示せず）に供給され、タービンの回転動力によって発電機（図示せず）が駆動されて発電する。タービンを通過した蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮され、再び冷却水となって給水管１９ら原子炉圧力容器１に環流するようになっている。
【０００７】
図４は、上述した燃料集合体９の全体構造を、図５は、その燃料集合体９の配置を上部格子板６とともに表すものである。
【０００８】
これら図４、図５及び上述の図３において、燃料集合体９は、核分裂性物質からなる円筒形状の燃料ペレットを封入した複数の燃料棒１６と、内部に冷却水が流れる２本の水ロッド２０とを備えている。但し、図４及び図５に示した燃料集合体は一例であり、本発明は、燃料棒数、水ロッド水及びそれらの配置や形状が異なる場合でも適用可能である。
【０００９】
これら燃料棒１６及び水ロッド２０がｎ行ｎ列（図３中ではｎ=９）の正方格子状に配列され、軸方向（図４の上下方向）に所定間隔をおいて配設された複数のスペーサ２１により燃料棒１６及び水ロッド２０の間隔が適切に保持されて、燃料バンドルとしている。また、燃料集合体９は、その燃料バンドルの上端及び下端をそれぞれ支持する上部タイプレート２２及び下部タイプレート２３と、燃料バンドルの周囲を取り囲み燃料集合体９の外壁を形成する四角筒形状のチャンネルボックス２４とを備えている。
【００１０】
このような燃料集合体９は、４体を１組として燃料支持金具内に設置されている。また、燃料集合体９の上部タイプレート２２は、上部格子板６に通されると共に、上部タイプレート２２の上方側（図５の紙面に向かって手前側）に設けられたチャンネルファスナ２５が互いに作用して、位置決めされるようになっている。このとき、上部タイプレート２２と上部格子板６との間、又はチャンネルファスナ２５の相互間には、燃料集合体９の装荷時の作業性を考慮して隙間（遊び）が設けられている。
【００１１】
全挿入された十字型制御棒１１は、囲まれた燃料集合体９に寄りかかることで自立している。対角の２体の燃料集合体９を引き抜いても、十字型制御棒１１は残った対角２体の燃料集合体９に寄りかかり、倒れることはない。しかし、隣り合う２体の燃料集合体９を引き抜いたときは、十字型制御棒１１がその引き抜いた燃料集合体９側への支えを失い、そちらに倒れてしまう可能性がある。
【００１２】
即ち、沸騰水型原子炉に用いられている十字型制御棒１１は、隣り合う２体の燃料集合体９を引き抜いたときは、自立できない。
【００１３】
そのため、燃料交換時及び燃料装荷時には、ブレードガイドと呼ばれる十字型制御棒が倒れないように固定するための治具を用いている。このブレードガイドは、対角２体の燃料集合体を装荷する場所にまたがるように設置されている。
【００１４】
このブレードガイドを用いて十字型制御棒が倒れないように固定されている従来の燃料交換について、図６を用いて説明する。
【００１５】
該図に示すように、従来の燃料交換は、４体の燃料集合体９が装荷され、十字型制御棒１１が全挿入（３０）されている状態から、先ずセルの対角２体の燃料集合体９を引き抜き（３１）、次に、十字型制御棒１１が倒れないようにブレードガイド２８を設置（３２）して固定し、残り２体の燃料集合体９を引き抜き（３３）、その後、十字型制御棒１１を全引き抜き（３４）、最後にブレードガイド２８を取り外す（３５）という順番で行われている。
【００１６】
なお、燃料交換については、例えば、特許文献１に記載されているような、市松模様方式の燃料取り出し方法が広く知られている。この市松模様方式の燃料取り出し方法は、炉心中のすべてのセルについて燃料交換を適用する方法で、燃料交換の始めに炉心中の約半数の燃料集合体を、市松模様状に抜き取り出すものである。この状態では、制御棒を全て引き抜いても臨界にならないことが確認されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平９−３０４５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述した従来の沸騰水型原子炉における定期点検中の燃料交換作業時又は燃料装荷時においては、十字型制御棒が倒れないようにするためにブレードガイドを用いる必要があり、その取り付け取り外し作業に時間がかかるという問題があった。また、炉心のすべての燃料集合体配置を市松模様にすればブレードガイドを用いずに燃料交換できる可能性があるが、例え少数だけ燃料交換する時でも、まず燃料集合体の半数以上を取り出す必要があり作業時間がかかるという問題がある。
【００１９】
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ブレードガイドを使用することなく原子炉の燃料交換を１セル単位で行うことができ、燃料の交換にかかる時間を短縮することのできる原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の原子炉の燃料取出し方法は、上記目的を達成するために、十字型制御棒と、それを囲む２行２列、４体の燃料集合体の組とで構成される単位格子のセルから、前記燃料集合体を取出す原子炉の燃料取出し方法であって、４体の前記燃料集合体が装荷され、前記十字型制御棒が全挿入されている状態から、まず、セルの対角２体の前記燃料集合体を引き抜き、次に、前記十字型制御棒を、該十字型制御棒の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ引き抜き、最後に残り２体の燃料集合体を引き抜くことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の原子炉の燃料交換方法は、上記目的を達成するために、十字型制御棒と、それを囲む２行２列、４体の燃料集合体の組とで構成される単位格子のセルの前記燃料集合体を交換する原子炉の燃料交換方法であって、４体の前記燃料集合体が装荷され、前記十字型制御棒が全挿入されている状態から、まず、セルの対角２体の前記燃料集合体を引き抜き、次に、前記十宇型制御棒を、該十字型制御棒の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ引き抜き、この状態から残り２体の前記燃料集合体を引き抜き、その後、新しい燃料集合体の２体を互いに対角になるように装荷し、次に、十字型制御棒を全挿入し、最後に残り２体の新しい燃料集合体の２体を対角に装荷することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、現行の原子炉に変更を加えることなく、しかも、ブレードガイドを使用することなく原子炉の燃料交換を１セル単位で行うことができ、燃料の交換にかかる時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法の適用対象である沸騰水型原子炉の概略構成を示す図である。
【図２】図１における炉心全体の水平断面図である。
【図３】図１における４体の燃料集合体及び十字型制御棒の水平断面図である。
【図４】図１における燃料集合体の全体構造を示す垂直断面図である。
【図５】図１における４体の燃料集合体の配置を上部格子板と共に示す水平断面図である。
【図６】従来の原子炉の燃料交換方法を示すフローチャートである。
【図７】本発明の原子炉の燃料交換方法における炉停止余裕の満足を確認するため、１０行１０列の燃料棒構成をもつ燃料集合体を用いた炉心体系で計算機シミュレーション結果の燃料集合体の装荷パターン(横軸)と実効中性子増倍率(縦軸)の関係を示す特性図である。
【図８】本発明の実施例１である原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】本発明の実施例１における十字型制御棒の部分引き抜き状態を示す部分断面図である。
【図１０】本発明の実施例１における十字型制御棒の全挿入状態を示す部分断面図である。
【図１１】本発明の実施例２である原子炉の燃料装荷方法を説明するためのフローチャートである。
【図１２】本発明の実施例３である原子炉の燃料装荷方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法では、燃料集合体が装荷されているときに十字型制御棒が部分的に抜けている状態（十字型制御棒が部分的に引き抜き或いは挿入された状態）を手段の一つとしている。そのため、その状態でも炉心が臨界にならないことを保証しなければならない。
【００２６】
臨界性を示すパラメータは、実効中性子増倍率と呼ばれる。炉心は、実効中性子増倍率が１に達したときに臨界となる。炉心は、冷温状態において、全ての十字型制御棒を全挿入しているときに、いかなる１本の十字型制御棒が誤作動などにより挿入されなかったとしても、余裕をもって未臨界を保てるように設計されている。これを炉停止余裕という。
【００２７】
本発明者等は、以下に示す実施例について、１０行１０列の燃料棒構成をもつ燃料集合体を用いた炉心と、９行９列の燃料棒構成をもつ燃料集合体を用いた炉心の２種類の体系で計算機シミュレーションを行った。どちらの体系でも、炉停止余裕を満足することを確認した。
【００２８】
以下では、前者の体系での検討結果を、図７を用いて説明する。図７は、１０行１０列の燃料棒構成をもつ燃料集合体を用いた炉心体系で計算機シミュレーション結果の燃料集合体の装荷パターン（横軸）と実効中性子増倍率（縦軸）の関係を示すものである。
【００２９】
図７中の項目は、以下の通り、冷温時の炉心の実効中性子増倍率の値である。即ち、図７中の「CRfullin」は、燃料集合体が全て装荷され十字型制御棒も全挿入の状態、「CRfullout」は、燃料集合体が全て装荷され十字型制御棒が全引き抜きの状態、「１stack」は、燃料集合体が装荷、十字型制御棒が全挿入されているとき、炉心中ただ１本の十字型制御棒が全引き抜きの状態、「１cell」は、燃料集合体が装荷、十字型制御棒が全挿入されているとき、炉心中ただ１つのセルにおいて対角２体の燃料集合体だけが装荷されており、十字型制御棒が全引き抜きである状態、「１/４Core」は、炉心中１/４のセルについて対角２体の燃料集合体だけが装荷されており、十字型制御棒が全引き抜きである状態、「FullCore」は、炉心中全てのセルについて、対角２体の燃料集合体だけが装荷されており、十字型制御棒が全引き抜きである状態をそれぞれ示す。
【００３０】
尚、図７中の白い点は、炉心中で制御棒価値が最も高い十字型制御棒１本が抜けた状態の実効中性子増倍率を示す。
【００３１】
図７において、１０行１０列の燃料棒構成をもつ燃料集合体を用いた冷温時の炉心において、全ての燃料集合体が装荷され、全ての十字型制御棒が全挿入されている状態「CRfullin」の実効中性子増倍率は、今回の計算例では０.９４７である。この状態からいずれか１本の十字型制御棒が抜けた時の実効中性子増倍率のうち、最大のものは、今回の計算例では、「１stack」で示してある値０.９７８である。この値が検討を行う上での設計目標となる。一般的に、「１stack」の状態では、炉停止余裕は満足されている。
【００３２】
本発明者等らの原子炉の燃料交換方法の過程で、最も実効中性子増倍率が高くなるのは、セル中の対角２体の燃料集合体を引き抜き、セル中の十字型制御棒を引き抜いたときである。このときでも設計目標である「１stack」の値を超えないこと、即ち、炉停止余裕を満足することを確認しなくてはならない。
【００３３】
図７中の「１cell」の黒い点は、炉心中あるただ１つのセルにおいて、対角２体の燃料集合体を引き抜き、十字型制御棒を全引き抜きした状態を示しており、その値は、今回の計算例では０.９４７となった。白い点は、そのとき対象セル以外の場所で十字型制御棒が引き抜かれた場合のうち、実効中性子増倍率が最も高くなる場合で、その値は、今回の計算例では０.９７８となり、炉停止余裕を満足した。他の各々のセルについても同様の計算を行い、常に炉停止余裕を満足していることを確認した。
【００３４】
つまり、本発明者等は、冷温時の炉心において、燃料集合体２体を抜いたあとの水領域が中性子を吸収する価値が、十字型制御棒の価値と同等以上であることが分かった。
【００３５】
１つのセルに操作を行なっても実効中性子増倍率は、図７の「CRfullin」以下になるため、複数のセルについて行なっても、常に図７の「CRfullin」以下となる。そして、炉停止余裕も常に満足する。また、図７の「fullCore」に示すように、炉心中全てのセルについて対角２体の燃料集合体を引き抜き、十字型制御棒を全引き抜きした場合は、実効中性子増倍率が特に小さくなることも確認した。
【００３６】
本検討では、十字型制御棒が全引き抜きの状態を扱った。一方、本発明では、十字型制御棒の部分引き抜き及び部分挿入を用いる。この場合の実効中性子増倍率は、全引き抜きの場合よりも小さくなるので、炉停止余裕は満足される。
【００３７】
部分引き抜き、部分挿入の範囲（上限）は、十字型制御棒が中性子吸収の効果を発揮でき、かつ単独で自立できる範囲であることが望ましい。即ち、十字型制御棒中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒を挿入したとき十字型制御棒が倒れず、十字型制御棒が傾いたとしても燃料集合体の取り出し及び装荷に干渉しない状態（約１度の傾きが許容でき、長さにすると２.１ｍまで挿入可能）であることが望ましい。例えば、十字型制御棒の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ挿入されている状態が適する。
【００３８】
また、本発明での部分引き抜き、部分挿入の下限は、十字型制御棒中の中性子吸収材を含む領域の上端が、燃料集合体の有効領域に差し掛かる位置とする。
【００３９】
以上の検討結果を反映した本発明の原子炉の燃料取出し方法及びその燃料交換方法の実施例について、図面を用いて以下に説明する。
【実施例１】
【００４０】
図８に、４体の燃料集合体９が装荷され、十字型制御棒１１が全挿入されているあるセルから、燃料集合体９を交換する過程の実施例のフローチャートを示す。
【００４１】
該図に示す如く、４体の燃料集合体９が装荷され、十字型制御棒１１が全挿入（４０）されている状態から、まず、セルの対角２体の燃料集合体９を引き抜く（４１）。次に、十字型制御棒１１を部分引き抜き（４２）する。即ち、十字型制御棒１１中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体９の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒１１を挿入したとき十字型制御棒１１が倒れず、例え十字型制御棒１１が傾いたとしても燃料集合体９の取り出しに干渉しない状態に十字型制御棒１１を部分引き抜きする。
【００４２】
この十字型制御棒１１を部分引き抜きした状態を図９に示す。該図の如く、燃料支持金具１３に支持されている燃料集合体９間及び燃料支持金具１３に形成された制御棒挿入孔８に配置された十字型制御棒１１は、図１０に示す十字型制御棒１１の全挿入状態から制御棒駆動機構１０（図１参照）により下方に引き抜かれ、図９に示す部分引き抜き位置まで駆動される。
【００４３】
この図９に示す部分引き抜き位置は、上述した十字型制御棒１１中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体９の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒１１を挿入したとき十字型制御棒１１が倒れず、十字型制御棒１１が傾いたとしても燃料集合体９の取り出しに干渉しない状態（約１度の傾きが許容でき、長さにすると２.１ｍまで挿入可能）であり、例えば、十字型制御棒１１の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ引き抜きされている状態である。
【００４４】
次に、上記の状態から残り２体の燃料集合体９を引き抜き（４３）、その後、新しい燃料集合体９の２体を互いに対角になるように装荷（４４）する。次に、十字型制御棒１１を図１０に示す如く、上部格子板６の位置まで制御棒駆動機構１０（図１参照）により全挿入（４５）する。そして、最後に残り２体の新しい燃料集合体９の２体を対角に装荷（４６）して、このセルの燃料交換作業が完了する。
【００４５】
上述では燃料交換方法について説明したが、図８のフローチャートで、工程（４０）−（４１）−（４２）−（４３）は、燃料取出し方法を示す。
【００４６】
このような本実施例の燃料取出し及び燃料交換作業により、ブレードガイドを使用することなく燃料を引き抜くことができ、燃料交換時間を短縮することができる。また、制御棒を部分引き抜きすることにより、制御棒の効果が表れ中性子増倍率が低下し、全引き抜き時より安全に作業できる。
【実施例２】
【００４７】
図１１に、燃料集合体９が装荷されておらず、十字型制御棒１１が全引き抜きされたあるセルに、燃料集合体９を装荷する（初装荷）過程の実施例のフローチャートを示す。
【００４８】
該図に示す如く、燃料集合体９が装荷されておらず、十字型制御棒１１が全て引き抜き（５０）されている状態から、まず、矢印（ａ）のように、十字型制御棒１１を自立できる範囲まで部分挿入（５１）し、即ち、十字型制御棒１１中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体９の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒１１を挿入したとき十字型制御棒１１が倒れず、例え十字型制御棒１１が傾いたとしても燃料集合体９の挿入に干渉しない状態に十字型制御棒１１を部分挿入する（本実施例での十字型制御棒１１の部分挿入状態は、図９と同一位置である）。
【００４９】
この十字型制御棒１１の部分挿入位置は、上述した十字型制御棒１１中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体９の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒１１を挿入したとき十字型制御棒１１が倒れず、十字型制御棒１１が傾いたとしても燃料集合体９の挿入に干渉しない状態（約１度の傾きが許容でき、長さにすると２.１ｍまで挿入可能）であり、例えば、十字型制御棒１１の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ挿入されている状態である。
【００５０】
次に、上記の状態からセルに２体の燃料集合体９を互いに対角になるように装荷（５２）し、その後、矢印（ｂ）のように、十字型制御棒１１を図１０と同様に全挿入（５３）する。そして、最後に残りの対角２体の燃料集合体９を装荷（５４）する。
【００５１】
このような本実施例の燃料装荷作業により、ブレードガイドを使用することなく燃料を挿入することができ、燃料交換時間を短縮することができる。
【実施例３】
【００５２】
図１２に、本発明の実施例３である原子炉の燃料装荷方法のフローチャートを示す。
【００５３】
該図に示す如く、炉心の全ての燃料集合体９が引き抜かれ、全十字型制御棒１１が全引き抜き（６０）されている状態から、先ず、全てのセルで十字型制御棒１１を自立できる範囲まで部分挿入（６１）する。即ち、十字型制御棒１１中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体９の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒１１を挿入したとき十字型制御棒１１が倒れず、例え十字型制御棒１１が傾いたとしても燃料集合体９の装荷に干渉しない状態に十字型制御棒１１を部分挿入する（本実施例での十字型制御棒１１の部分挿入状態は、図９と同一位置である）。
【００５４】
この十字型制御棒１１の部分挿入位置は、上述した十字型制御棒１１中の中性子吸収材を含む領域が、燃料集合体９の有効領域と重なっており、かつ十字型制御棒１１を挿入したとき十字型制御棒１１が倒れず、十字型制御棒１１が傾いたとしても燃料集合体９の挿入に干渉しない状態（約１度の傾きが許容でき、長さにすると２.１ｍまで挿入可能）であり、例えば、十字型制御棒１１の長さを２４分割したとき、２４分の１以上、２分の１以下の長さ分だけ挿入されている状態である。
【００５５】
次に、上記の状態から全てのセルで、対角２体の燃料集合体９を装荷（６２）し、その後、全てのセルの十字型制御棒１１を図１０と同様に全挿入（６３）する。そして、最後に残りの全ての燃料集合体９を装荷する。
【００５６】
このような本実施例の燃料装荷作業により、炉心中の全ての燃料集合体９を挿入することができる。また、全ての十字型制御棒１１を同時に挿入することにより、燃料交換時間を短縮することができる。また、このときの実効中性子増倍率は特に低く、核特性上、安全性に大きな余裕をもって効率よく作業できる。
【符号の説明】
【００５７】
１…原子炉圧力容器、２…原子炉シュラウド、３…炉心、４…気水分離器、５…蒸気乾燥器、６…上部格子板、７…炉心支持板、８…制御棒挿入孔、９…燃料集合体、１０…制御棒駆動機構、１１…十字型制御棒、１２…制御棒案内管、１３…燃料支持金具、１４…インターナルポンプ、１５…下部プレナム、１６…燃料棒、１７…シュラウドヘッド、１８…主蒸気管、１９…給水管、２０…水ロッド、２１…スペーサ、２２…上部タイプレート、２３…下部タイプレート、２４…チャンネルボックス、２５…チャンネルファスナ、２７ａ…挿入部の外周面、２８…ブレードガイド。
【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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【図１２】
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