CN112789690A - 熔融盐反应器中的电化学分离机构 - Google Patents
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Abstract
一些实施例包括用于熔融盐反应器的化学分离机构，其中，所述熔融盐可以包括裂变产物。在一些实施例中，所述化学分离机构包括：熔融盐容器，其具有部署在其内的熔融盐；溶剂容器，其具有部署在其内的溶剂；电极；和电极机构。在一些实施例中，所述电极机构用于：将所述电极沉浸到所述熔融盐容器中，以使得化学反应发生在所述电极与所述熔融盐中的所述裂变产物中的一个或多个之间。在一些实施例中，所述电极机构可以将所述电极沉浸到所述溶剂容器中，以使得化学反应发生，导致所述裂变产物中的一个或多个沉积到所述溶剂中。
Description
背景技术
熔融盐反应器是一类核裂变反应器，其中，主要核反应器冷却剂或燃料是熔融盐混合物。一般，熔融盐反应器运行在比水冷反应器更高的温度，并且因此可以在停留在低蒸气压力的同时产生更高的热力学效率。此外，熔融盐反应器可以产生有趣且有用的裂变副产物产物。
发明内容
本发明的一些实施例包括一种用于熔融盐反应器的化学分离机构；所述反应器中的熔融盐可以包括一些裂变产物。在一些实施例中，所述化学分离机构可以包括：熔融盐容器，其具有部署在其内的熔融盐；溶剂容器，其具有部署在其内的溶剂；电极；和电极机构。在一些实施例中，所述电极机构可以被配置为：将所述电极沉浸到所述熔融盐容器中，以使得化学反应发生在所述电极与所述熔融盐中的所述裂变产物中的一个或多个之间。在一些实施例中，所述电极机构可以将所述电极沉浸到所述溶剂容器中，以使得化学反应发生，导致所述裂变产物中的一个或多个沉积到所述溶剂中。
在一些实施例中，所述电极机构包括升高和旋转机架。在一些实施例中，所述电极机构包括升高和滑动电极机构。
在一些实施例中，所述化学分离机构可以包括电源，其被配置为：将电势置于所述电极上。
在一些实施例中，所述熔融盐包括含锕系元素盐，并且其中，所述电极不与所述含锕系元素盐内的锕系元素进行反应。在一些实施例中，所述熔融盐包括含锕系元素盐。在一些实施例中，所述熔融盐包括氟化物或氯化物盐。
在一些实施例中，当所述电极放置在所述熔融盐容器内时，所述裂变产物可以镀在所述电极上。
在一些实施例中，所述电极可以包括铀。在一些实施例中，所述电极可以包括锕系元素。
在一些实施例中，所述化学分离机构可以包括第二电极，其被部署在所述熔融盐容器内的所述熔融盐内或与之接触。在一些实施例中，所述第二电极可以被部署在所述溶剂容器内的所述溶剂内或与之接触。
在一些实施例中，化学分离室封闭稀有气体。
本发明的一些实施例可以包括一种方法，所述方法包括：使电极暴露于包括裂变产物的熔融盐，以使得化学反应发生在所述电极与所述熔融盐中的所述裂变产物中的一个或多个之间；将所述电极移除到所述熔融盐；以及使所述电极暴露于溶剂，以使得化学反应发生，导致所述裂变产物中的一个或多个沉积到所述溶剂中。所述方法可以还包括：从所述溶剂移除所述电极。在一些实施例中，所述方法可以包括：在所述电极暴露于所述熔融盐的同时，向所述电极提供电势。在一些实施例中，所述方法可以包括：在所述电极暴露于所述溶剂的同时，向所述电极提供电势。
在一些实施例中，使所述电极暴露于所述熔融盐包括：操作升高和旋转机架。在一些实施例中，使所述电极暴露于熔融盐包括：操作升高和滑动电极机构。
在一些实施例中，所述熔融盐包括含锕系元素盐，并且所述电极不与所述含锕系元素盐内的锕系元素进行反应。在一些实施例中，所述熔融盐包括含锕系元素盐。
在一些实施例中，所述电极可以包括铀。
附图说明
当参照附图阅读以下具体实施方式时，更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点。
图1是根据一些实施例的熔融盐反应器***的示图。
图2是根据一些实施例的化学分离子***的示图。
图3是根据一些实施例的具有处于化学分离室内的升高位置中的电极的化学分离子***的示图。
图4是根据一些实施例的具有处于降低位置中并且被部署在溶剂池内的电极的化学分离子***的示图。
图5是根据一些实施例的化学分离子***的示图。
图6是根据一些实施例的化学分离子***的另一示图。
图7是表示根据一些实施例的使用电极以从熔融盐反应器移除裂变产物的过程的流程图。
具体实施方式
本公开的一些实施例包括一种化学分离机构，其包括熔融盐容器和溶剂容器。熔融盐容器可以包括或包含具有裂变产物的熔融盐。溶剂容器可以包括或包含溶剂。化学分离机构可以包括：电极；和电极机构，其被配置为：将电极沉浸到熔融盐容器中，并且将电极沉浸到溶剂容器中。电极机构可以包括任何类型的机电电极机构或电子设备，以从各个位置移动电极。电极可与熔融盐容器中的熔融盐中的一些裂变产物进行反应或结合。电极可以与溶剂容器中的溶剂进行反应或结合，以使得与电极结合的裂变产物可以沉积或释放到溶剂中。
可以在任何类型的熔融盐***或设备(包括但不限于热谱核反应器、快谱核反应器、超热谱核反应器、熔融盐测试回路、熔融盐靶、熔融盐中子源等)中利用化学分离机构。在一些实施例中，溶剂包括乙烯基乙二醇。在一些实施例中，溶剂包括氯化胆碱。
在一些实施例中，化学分离机构可以包括升高和旋转机架或升高和滑动电极机构，以将电极从一个位置移动到另一位置。可以使用各种其他机器人或机电设备。
公开用于熔融盐室中的电化学分离的***和方法。熔融盐反应器可以是核裂变反应器，其中，主要核反应器冷却剂或甚至燃料自身是熔融盐混合物。在一些实施例中，熔融盐反应器可以在停留在低蒸气压力的同时关于更高的热力学效率而运行在比水冷反应器更高的温度。在一些实施例中，熔融盐反应器中的燃料可以包括氟化物盐(例如，氟化锂和氟化铍(FLiBe))与溶解的铀(U-235或U-233)氟化物(UF4)的熔融混合物。在一些实施例中，铀可以是低浓缩铀、未浓缩铀或浓缩铀。
图1是根据一些实施例的熔融盐反应器***100的示图。熔融盐反应器***100可以包括反应器102、化学分离子***(例如，包括化学分离室120)、安全***(例如，包括一个或多个应急***罐165)和涡轮机145。
反应器102可以包括任何类型的熔融盐裂变设备或***，而无论其是否包括反应器。反应器102可以包括液盐超高温反应器、液态氟化钍反应器、液态氯化钍反应器、液态盐增殖反应器、液态盐固体燃料反应器、具有高或低浓缩铀盐靶的高通量水反应器等。
熔融盐反应器***100例如可以采用具有易裂变材料的一种或多种熔融盐。熔融盐例如可以包括包含氟、氯、锂、钠、钾、铍、锆、铷等或其任何组合的任何盐。熔融盐的一些示例可以包括LiF、LiF-BeF2、2LiF-BeF2、LiF-BeF2-ZrF4、NaF-BeF2、LiF-NaF-BeF2、LiF-ZrF4、LiF-NaF-ZrF4、KF-ZrF4、RbF-ZrF4、LiF-KF、LiF-RbF、LiF-NaF-KF、LiF-NaF-RbF、BeF2-NaF、NaF-BeF2、LiF-NaF-KF等。在一些实施例中，熔融盐可以包括氟化钠、氟化钾、氟化铝、氟化锆、氟化锂、氟化铍、氟化铷、氟化镁和/或氟化钙。
在一些实施例中，熔融盐可以包括任何以下可能的盐共晶。许多其他共晶可以是可能的。以下列表还包括示例共晶的摩尔比和熔点。摩尔比仅是示例。可以使用各种其他共晶。
·LiF-NaF(60-40mol％)652℃
·LiF-KF(50-50mol％)492℃
·LiF-NaF-KF(46.5-11.5-42mol％)454℃
·LiF-NaF-CaF2(53-36-11mol％)616℃
·LiF-NaF-MgF2-CaF2(～50-～30-～10-～10mol％)～600℃
·LiF-MgF2-CaF2(～65-～12-～23mol％)650-725℃
·LiF-BeF2(66.5-33.5mol％)454℃
·NaF-BeF2(69-31mol％)570℃
·LiF-NaF-BeF2(15-58-27)480℃
·LiF-NaF-ZrF4(37-52-11)604℃
·LiF-ThF4(71-29)565℃
·NaF-ThF4(77.5-22.5)618℃
·NaF-ThF4(63-37)690℃
·NaF-ThF4(59-41)705℃
·LiF-UF4(73-27)490℃
·NaF-UF4(78.5-21.5)618℃
·LiF-NaF-UF4(24.3-43.5-32.2)445℃
反应器102可以包括反应器再生区105，其围绕反应器芯110。多个棒115可以被部署在反应器芯110内。反应器芯110例如可以包括富铀熔融盐(例如，比如UF4-FLiBe)。反应器再生区105可以包括增殖燃料，其可以产生用于反应器芯110的铀。反应器再生区105可以包括富钍氟化物盐。例如，反应器再生区105可以包括钍-232，其通过中子辐射变成钍-233。钍-233具有22分钟的半衰期，并且通过β衰变变成镤-233。然后，通过第二β衰变，具有22.97天的半衰期的镤-233变成铀-233，其为用于反应器芯110的附加燃料。
棒115可以包括可以充当中子能量减速剂的任何材料(例如，比如石墨、ZrHx、轻水、重水、铍、锂-7等)。可以基于对于反应器芯110内的热、超热或快谱中子的需求选择或根本不使用中子减速剂。
在一些实施例中，熔融盐反应器***100可以包括化学分离子***。化学分离子***例如可以包括化学分离室120和/或化学分离回路125。化学分离子***例如可以用以从熔融盐提取裂变产物(例如，钼、钌)，并且提纯裂变产物。可以例如在https://www-nds.iaea.org/winsd/fpyield.htm#T1和/或https://www-nds.iaea.org/wimsd/fpyield.htm#T2找到裂变产物的列表。可以包括其他裂变产物。例如，化学分离子***可以从反应器芯移除裂变产物而不移除锕系元素(例如，铀同位素(例如，比如铀233，铀235)；或钚同位素(例如，比如钚239)；或钍同位素等)。图2、图3和图4示出化学分离子***的示例。
安全子***可以包括应急***管道170、防冻塞160或一个或多个应急***罐165。应急***罐165经由应急***管道170与反应器芯110连接。防冻塞160可以是除非存在应急情况否则将可裂变材料保持在反应器芯110内的有源元件。例如，如果防冻塞160断电或以其他方式受触发，则***管道打开，并且反应器芯110中的材料被***到应急***罐165中。应急***罐165可以包括例如比如能量减速材料的材料。例如，应急***罐165可以放置在任何反应可以受控制的位置中。例如，应急***罐165可以尺寸化以排除持续式反应的可能性。
图2是根据一些实施例的熔融盐反应器的化学分离子***200的示图。化学分离子***200包括熔融盐化学分离通道205，其可从熔融盐室(例如，反应器芯110)引导熔融盐。熔融盐化学分离通道205可以与熔融盐回路管道220连接，熔融管道220可以将熔融盐从熔融盐室导向到熔融盐化学分离通道205。熔融盐化学分离通道205可以将熔融盐馈送到熔融盐储存器210、215中。熔融盐储存器210、215可以经由熔融盐化学分离通道205填充或部分地填充熔融盐。在一些实施例中，铋或其他化学物质可以由膜或网约束、放置或部署在熔融盐储存器210、215内，例如，以通过化学方式移除附加裂变产物。熔融盐可以流过熔融盐储存器210、215并且经由熔融盐返回管道245返回熔融盐室。
在一些实施例中，熔融盐化学分离通道205内的熔融盐表面225可以分离熔融盐化学分离通道205与化学分离室260。在一些实施例中，化学分离室260可以填充有惰性气体或真空，其可以例如防止熔融盐表面225暴露于不希望的反应或氧化。
在一些实施例中，电极230可以浸泡在熔融盐化学分离通道205内的熔融盐内。电极230可以包括锕系元素(例如，比如铀)。电极可以与升高和旋转机架235耦合。升高和旋转机架235可以是机械电极机构，其升高电极230(参见图3)，旋转电极230，并且将电极230(参见图4)降低到溶剂容器240内的溶剂241中。溶剂容器240可以包括溶剂241。在一些实施例中，溶剂可以包括任何溶剂(包括乙二醇)。在一些实施例中，溶剂可以保持处于或接近大约室温。升高和旋转机架235可以包括电机、致动器、齿轮、滑轮、螺线管、缆线等中的一个或多个，其可以实行电极230的移动。
在一些实施例中，在电极与熔融盐(例如，含锕系元素盐)接触的同时，电势可以置于电极230上。在一些实施例中，在电极与熔融盐接触的同时，可能不需要电势，并且电极230将仅是导体。在一些实施例中，电势可以是直流或交流电势。第二电极可以与熔融盐接触，以完成(或接地)电路。第二电极可以是与化学分离子***200的任何部分耦合的电极，或者可以是化学分离子***200的器皿壁的部分。例如，第二电极可以是熔融盐化学分离通道205的器皿壁和/或熔融盐回路管道220的器皿壁的部分。电极230与第二电极之间的电势可以在熔融盐内的裂变产物与电极230之间产生或增强电化学反应。在一些实施例中，电化学反应可以使裂变产物镀在电极230上。在一些实施例中，电极之间的电势可以从低如0伏特变化到高如6伏特。电势可以变化，以选择期望将哪些元素镀在电极230上。
在一些实施例中，电势的量值、施加到电势的电流的大小、熔融盐的成分、溶解在盐中的裂变产物的类型和成分和/或所电极的材料230可以确定与电极230进行反应的反应物。附加地或替代地，在一些实施例中，交变电势的频率、施加到电势的交变电流的频率、熔融盐的成分和/或包括电极230的材料可以确定与电极230进行反应的反应物。
在一些实施例中，升高和旋转机架235可以部分地被部署在化学分离室260内。在一些实施例中，电机、致动器、齿轮、滑轮、螺线管、缆线等中的一个或多个可以与升高和旋转机架235耦合，和/或成为其部分。在一些实施例中，电机、致动器、齿轮、滑轮、螺线管、螺线管、缆线等中的一个或多个可以被部署在化学分离室260的外部，这样使升高和旋转机架235升高和/或旋转电极230。
在一些实施例中，化学分离室260可以包括吸气器250，其可以包括吸气器塞。吸气器可以用以从化学分离室260内移除气体。吸气器250例如可以包括碳酸镁、贫铀、银或铜等。在一些实施例中，吸气器可收集各种化学物质，尤其是气体(例如氚、氢、氘、碘、氪、氙、锆、钼、氦等)。在一些实施例中，吸气器250可以使用气动或机械***以移除和/或替换(潜在地饱和的)吸气器，以从化学分离室260拉取出化学物质。
在一些实施例中，化学分离室260可以包括气体释放端口255。气体释放端口255例如可以从化学分离室260收集气体产物(例如，比如氪、氙、碘、氦、钼、锆等)。
图3是根据一些实施例的具有处于化学分离室260内的升高位置中的电极230的熔融盐反应器的化学分离子***200的示图。在该图中，已经接合电机、致动器、齿轮、滑轮、螺线管、缆线等中的一个或多个，以使升高和旋转机架235升高，以使得电极230不沉浸在熔融盐中而且不沉浸在溶剂容器240中的溶剂241中。
图4是根据一些实施例的具有处于降低位置中并且被部署在溶剂容器240中的溶剂241内的电极230的熔融盐反应器的化学分离子***200的示图。在一些实施例中，当电极230处于降低位置中并且被部署、放置或***到溶剂容器240内的溶剂241中时，电极230与第二电极之间的电势可以反转并且在电极上的裂变产物与溶剂容器240的溶剂241之间产生电化学反应。在一些实施例中，当电极230处于降低位置中并且被部署在溶剂容器240内时，电极230与第二电极之间的电势的频率或量值可以改变，以在电极上的裂变产物与溶剂容器240内的溶剂241之间产生电化学反应。在一些实施例中，裂变产物可以释放、溶解和/或沉积到溶剂中。
在一些实施例中，第一电极或第二电极之一可以包括阳极，而另一电极可以包括阴极。在一些实施例中，可以包括第三电极，其可以是参考电极。在一些实施例中，可以包括第三电极，其可以是附加阳极或附加阴极。
在一些实施例中，溶剂容器240可以例如比如经由允许溶剂241从溶剂容器240流到溶剂处理子***的导管和/或螺线管与溶剂处理子***耦合。在一些实施例中，裂变产物可以与溶剂分离和/或进一步受处理。
图5是根据一些实施例的附接有熔融盐反应器270(例如，反应器102)的化学分离子***200的示图。图6是根据一些实施例的附接有熔融盐反应器270的化学分离子***200的另一示图。在一些实施例中，化学分离子***200可以经由熔融盐返回管道245和/或熔融盐回路管道220与熔融盐反应器270耦合。
图7是表示根据一些实施例的用于使用电极以从熔融盐反应器移除裂变产物的过程700的流程图。在块705，电极可以暴露于熔融盐。电极例如可以包括电极230。熔融盐可以包括但不限于该文献中描述的任何熔融盐。
在块710，电势提供给电极。例如，电势可以取决于熔融盐的类型、熔融盐混合物和/或期望从熔融盐提取的裂变产物的类型而在电压和/或频率方面变化。例如，电势可以是电极与部署在熔融盐中其他地方的第二电极之间的电势。电极与第二电极之间的电势可以在熔融盐内的裂变产物与电极之间产生电化学反应。在一些实施例中，电化学反应可以使裂变产物镀在电极上。
在块715，可以从熔融盐移除电极。可以通过任何数量的方式完成该操作。例如，可以使用升高和旋转机架移除电极。作为另一示例，可以使用电机、致动器、齿轮、滑轮、螺线管等中的一个或多个移除电极。作为另一示例，可以通过移除熔融盐而从熔融盐移除电极。
在块720，电极可以暴露于溶剂。例如，电极可以移动到溶剂容器。作为另一示例，在已经移除熔融盐之后，部署电极的室可以填充有溶剂。
在块725，电极可以暴露于电势。在一些实施例中，在电极被部署在溶剂中的同时所提供的电势可以相对于在块710所提供的电势反转。在一些实施例中，例如，电势可以取决于溶剂成分和/或裂变产物的类型而在电压和/或频率方面变化。例如，电势可以是电极与部署在溶剂中其他地方的第三电极之间的电势。电极与第三电极之间的电势可以在镀在电极上的裂变产物之间产生电化学反应，以使得裂变产物溶解在溶剂中。
在块730，可以从溶剂移除电极。
过程700可以重复任何次数。过程700可以还包括附加块或步骤。附加地或替代地，可以移除或删除过程700的任何数量的块。
在一些实施例中，电极可以在化学分离子***内保持静止。熔融盐和溶剂可以交替流入化学分离子***中，因为电极上的电势对应地反转，以从熔融盐收集裂变材料并且将裂变材料溶解在溶剂中。
在一些实施例中，可以使用多于一个的电极。在一些实施例中，可以包括电源，其被配置为将电势置于电极上。电势可在电极与熔融盐内的裂变产物或电极与溶剂之间产生电化学反应。在一些实施例中，当电极放置或沉浸在熔融盐容器内时，裂变产物镀在电极上。
在一些实施例中，熔融盐包括含锕系元素盐，并且其中，电极包括不与含锕系元素盐内的锕系元素进行反应的材料。在一些实施例中，熔融盐包括氟化物盐或氯化物盐。在一些实施例中，电极包括锕系元素。
在一些实施例中，化学分离机构可以还包括化学分离室，其中，电极机构的至少一部分被部署在化学分离室内。
在一些实施例中，化学分离室包含稀有气体。
在一些实施例中，网用以收集溶剂容器内的沉积颗粒。
在一些实施例中，副室可以用以执行盐的化学清洁。
除非另有说明，否则术语“实质上”表示处于所提及的值的5％或10％内或处于制造公差内。除非另有说明，否则术语“大约”表示处于所提及的值的5％或10％内或处于制造公差内。
本文阐述大量具体细节以提供对所要求保护的主题的透彻理解。然而，本领域技术人员应理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践所要求保护的主题。在其他实例中，尚未详细描述本领域普通技术人员将公知的方法、装置或***，以免模糊所要求保护的主题。
本文讨论的一个或多个***不限于任何特定的硬件架构或配置。
本文中的“适用于”或“被配置为”的使用表示不排除适用于或被配置为执行附加任务或步骤的设备的开放和包括式语言。附加地，“基于”的使用表示为开放和包括式的，在于：“基于”一个或多个所陈述的条件或值的过程、步骤、计算或其他动作可以实际上基于超越所陈述的条件或值的附加条件或值。本文所包括的标题、列表和编号仅是为了易于解释，而非表示限制。
虽然已经关于本主题的特定实施例详细描述了本主题，但应理解，本领域技术人员在理解前述内容时可以容易地产生对这些实施例的更改、变型和等同。因此，应理解，本公开已经出于示例而非限制的目而提出，并且不排除包括对本领域普通技术人员将是显而易见的对本主题的这些修改、变化和/或添加。
Claims (22)
1.一种化学分离机构，包括：
熔融盐容器，其具有所述熔融盐容器内所部署的熔融盐，所述熔融盐包括裂变产物；
溶剂容器，其具有所述溶剂容器内所部署的溶剂；
电极；和
电极机构，其用于将所述电极沉浸到所述熔融盐容器中，以使得在所述电极与所述熔融盐中的所述裂变产物中的一个或多个之间发生化学反应，并且用于将所述电极沉浸到所述溶剂容器中，以使得化学反应发生，导致所述裂变产物中的一个或多个沉积到所述溶剂中。
2.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述电极机构包括升高和旋转机架。
3.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述电极机构包括升高和滑动电极机构。
4.如权利要求1所述的化学分离机构，还包括电源，其用于将电势置于所述电极上。
5.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述熔融盐包括含锕系元素盐，并且其中，所述电极不与所述含锕系元素盐内的锕系元素进行反应。
6.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述熔融盐包括含锕系元素盐。
7.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述电极包括铀。
8.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述电极包括锕系元素。
9.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，当所述电极放置在所述熔融盐容器内时，所述裂变产物镀在所述电极上。
10.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，所述熔融盐包括氟化物或氯化物盐。
11.如权利要求1所述的化学分离机构，还包括第二电极，其被部署在所述熔融盐容器内的所述熔融盐内或与之接触。
12.如权利要求1所述的化学分离机构，还包括第三电极，其被部署在所述溶剂容器内的所述溶剂内或与之接触。
13.如权利要求1所述的化学分离机构，其中，化学分离室封闭稀有气体。
14.如权利要求1所述的化学分离机构，还包括化学分离室，其与所述熔融盐容器耦合，所述化学分离室包括吸气器，其用于收集一种或多种气体。
15.一种方法，包括：
使电极暴露于包括裂变产物的熔融盐，以使得在所述电极与所述熔融盐中的所述裂变产物中的一个或多个之间发生化学反应；
从所述熔融盐移除所述电极；以及
使所述电极暴露于溶剂，以使得化学反应发生，导致所述裂变产物中的一个或多个沉积到所述溶剂中。
16.如权利要求15的方法，还包括：从所述溶剂移除所述电极。
17.如权利要求15所述的方法，其中，使所述电极暴露于所述熔融盐包括：操作升高和旋转机架或升高和滑动电极机构。
18.如权利要求15所述的方法，其中，当所述电极暴露于所述熔融盐时，所述裂变产物镀在所述电极上。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述熔融盐包括含锕系元素盐，并且其中，所述电极不与所述含锕系元素盐内的锕系元素进行反应。
20.如权利要求15所述的方法，其中，所述电极包括铀。
21.如权利要求15所述的方法，其中，所述熔融盐包括含锕系元素盐。
22.如权利要求15所述的方法，还包括：在所述电极暴露于所述熔融盐的同时或在所述电极暴露于所述溶剂的同时，向所述电极提供电势。
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