CEA-N-1291

Note CEA-N-1291

Sous-Commission des Masses Critiques

SURETE - CRITICITE RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERE FISSILE

par

Le Groupe de Travail n° 4 (GT/MC.4) de la Sous-Commission des Masses Critiques

- Juin 1970 -

CEA-N-1291 - SOUS-COMMISSION DES MASSES CRITIQUES -Groupe de Travail n° 4

SURETE-CRIT1CITE - RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERE FISSILE

Sommaire. - Le présent document, rédigé sous l'égirlp HP la Scus-Cemmissicr. des Masses Critiques, donne des conseils généraux pour la conception et l'uti­lisation des locaux réservés au stockage des matières fissiles. Quelques nor­mes sont proposées et des exemples sont donnés concernant le stockage d'uranium enrichi et de plutonium sous des formes diverses : lingots métal­liques - solutions - déchets solides - éléments combustibles.

1970 37 P.

Commissariat à l 'Energie Atomique - France

CEA-N-1291 - SOUS-COMMISSION DES MASSES CRITIQUES -Groupe de Travail n* 4

SAFETY, CRITICALITY. RECOMMENDATIONS CONCERNING THE STORAGE OF FISSILE MATERIALS

Summary. - This document, written by a working group of the Critical Mass Subcommittee, gives general statements relating to design and use of sto­rages for fissile materials. Some standards are proposed and examples are given for storage of enriched uranium or plutonium in the form of ingots.. solutions, solid waste, or fuel elements.

1970 37 p.

Commissariat à l 'Energie Atomique - France

- Note CEA-N-1291 -

Sous-Commission des Masses Critiques

SURETE - CRITICITE

RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERES FISSILE

par

Le Groupe de Travail n° 4 (GT/MC.4) de la Sous-Commission des Masses Critiques

- 3 -

COMPOSITION DU GROUPE DE TRAVAIL N° 4

(GT/MC N° 4)

M. LECORCHE Pierre -K. BOILLOT Jacques M. BOUSQUET Jacques M. COMBETTES Christian M. FRUCHARD Yves M. GUERIN André M. LECLEHC Jean

DPSR/SEC DMCN/SCUTCI DPA/DEP DAM/SPR/B.III

DP/SCI DSPS DPSR/SEC

Animateur Membre

Le groupe de travail remercie Monsieur et Madame PUIT de DPSR/SEC m i ont participé à l'élaboration des normes.

- 5 -

SOMMAIRE

PREMIERE PARTIE - PRINCIPES GENERAUX

1 - DEFINITIONS

2 - REGLES ET RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES 2.1. - Local de stockage 2.2. - Dispositif de détection et d'alarme 2.3. - Opérations de stockage et de transfert 2.4. - Mesures à prendre dans les situations anormales

DEUXIEME PARTIE - NORMES DE STOCKAGE

1 - STOCKAGE EN CAGES CENTREES

2 - STOCKAGE EN CASIERS

3 - STOCKAGE EN TUBES

4 - STOCKAGE DES PUTS DE DECHETS SOLIDES PAUVRES

5 - STOCKAGE DES ELEMENTS COMBUSTIBLES

ANNEXES

- 7 -

SURETE - CRITICITE

RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES DE MATIERE FISSILL

INTRODUCTION

Le présent document a pour but de donner des indications en natière

de sUret,é-cr:iticité sur la conception et l'utilisation de stockages de matière

fissile (uranium enrichi et plutonium, mo'iérés ou non). Seuls sont concernés les

stockages situés dana des locaux réservés à cet usage, les stockages des solu­

tions intégrés à des chaînes de fabrication n'étant pas traités ici.

La première partie intitulée "Principes généraux" indique les régies

et rscomraandatione concernant la conception des locaux de stockage ainsi que les

h/pcthtaes habituelles servant de base aux calculs de criticité.

La deuxième partie donne de& normeo de stockages sous forme de tableaux

et de courbes pour dt i'uraniufl enrichi et du plutonium, modérés ou non. Ces nor­

mes pourront servie de poirt de depart pour les études de projet ; elles n" ecii

pas? exhaustives et lorsou'ylDes n? sor. J pas applicables, ded éludes particulières

devront ti-a fsiteo.

_ a .

PREMIERE PARTIE

PRINCIPES GENERAUX

i -- DEPIFTTIONS

L~s loo«ux de stockage peuvent être soit des magasins centraux où sont

stockées des quantxtes importantes de matière fissile sous les formes les. plus

diverses, soit des salles à proximité immédiate des ateliers de fabrication :

stockages d'entrée, stockages intermédiaires, stockages de sortie.

1s2 lice-ux de stockage peuvent être divisés soit en cellules (en géné­

ral ieolées neutroniquement lea unes des autres), soit tn zones (exemple : parcs

de cagas centrées séparées par des allées).

Un stockage o\, formé d'unités de s-tookage disposées régulièrement :

ce-te disposition s'appelle ur ré&eau ; chaque unité de stockage étant située à

un noeud du roseau. Le pas d'un riseau est la distance entre deux axes d'unités

voisines ; il peut y avoir des pas différents suivent les directions considérées.

Lea .rit&e de st. ckage peuvent être des unités motiles (cages de trans­

port..-) e .les peuvent être disposées en structures fixes (alvéoles dans du "béton,

bâcj métallique.. ).

Le volume attribué à une unité dans le réseau sera appelé alvéole à.-j

stockage.

2 - I:ECEES ET RECOMMANDATIONS CONCERNANT LES STOCKAGES

2.1. - Local de stockage

Il doit respecter le? règles suivantes :

- êtro réservé exolusivjment à oet usage,

- être placé sous la responsabilité d'un agent nommément désigné seul

habilité à diriger les mouvements de matière,

- il doit pouvoir être fermé à clef,

- être conçu de façon à exclure au maximum les risques d'incendie et

pour résister au feu(installâtion électrique, écrans neutroniques, structures

des alvéoles...). On ne devra pas y entreposer de matières inflammables non fis­

siles,

- être situé loin de toute source potentielle d'incendie ou d'explosion,

- 10 -

- ne pas être accidentellement inondable (emplacement des tuyauteries,

évacuation d'eau à prévoir).

2.2» - Dispositifs de détection et d'alarme

L'opportunité d'équiper le local d'un réseau de détection de criticité

dépend de la sécurité intrinsèque présentée par le stockage et sera décidée par

la Sous-Commission des Masses Critiques.

Lorsqu'un local contient des produits fissiles pyrophoriques (métal ou

alliage divisé par exemple), il doit comporter un dispositif de détection incendie.

2.3, - Opérations de stockage et de transfert

- Les matières fissiles doivent être placées dans un récipient fermé, à

1* exception des solutions de plutonium en raison de 1% formation de gaz de radio-

lyse. Pour les solutions,la fuite du conteneur doit être prévue (collecteur ou

lèchefrite de géométrie convenable).

- On évitera de mélanger des unités de stockage de nature différente ;

au contraire les unités de stockage seront classées par catégories et groupées

dans une même zone ou une même portion de zone.

- Le pas d'un réseau est un paramètre de sécurité important : il ne doit

jamais être modifié.

- Dans un local de stockage on ne doit transférer qu'une seule unité de

stockage à la fois. S'il y a lieu de reconditionner la matière fissile, cette opé­

ration devra se faire dans une pièce ou sur une aire balisée réservée à cet usage

et devra faire l'objet de consignes particulières.

2.4. - Mesures à prendre dans les situations anormales

L'eau étant l'agent extincteur le plus commode, son utilisation en cas

d'incendie, exclusivement sous forme de .jet diffusé, doit être admise aussi sou­

vent que possible : c'est pourquoi les normes de stockage développées d'ans la

deuxième partie de ce document en tiennent compte. Les structures d'un stockage

doivent être conçues pour qu'un jet d'eau diffusé n'en modifie pas la géométrie.

Si, par suite d'un incendie par exemple, une évacuation des matières

fissiles est décidée, on évitera au cours du transfert de rapprocher plusieurs

unités de stockage et on les dispersera à raison d'une unité par mètre carré en­

viron.

D'une façon générale toutes les mesures à prendre, en cas de situation

anormals, doivent faire l'objet de consignes écrites.

Comme le montrera la deuxième partie de ce document, les unités de stockage sont définies :

- 11

- soit par une limitation géométrique seule (ce qui impose un condi­

tionnement donné),

- soit par une limite de masse associée à une forme géométrique (con­

ditionnement imposé également),

- soit par une limite de masse seulement.

Dans tous les cas, les limitations tiennent compte de la nature physico­

chimique de la matière fissile, laquelle doit être parfaitement identifiée.

Lorsque des limites de masse sont imposées, deB affiches rappelant ces

limites, et éventuellement les limites de géométrie associées, doivent être appo­

sées à proximité des alvéoles de stockage ; les masses réellement présentes dans

chaque unité doivent être connues.

- 13 -

DEUXIEME PARTIE

NORMES DE STOCKAGE

Quelques types de stockage sont donnés dans ce qui suit, valables pour

de l'uranium-235 ou du plutonium-239. Ce sont des stockages réalisés en cages cen­

trées (ou dans des structures équivalentes), en casiers et en tubes cylindriques

(convenant particulièrement aux solutions). Enfin en traite aussi des stockages

de déchets en fûts métalliques et des stockages d'éléments combustibles.

Par la suite, sauf remarques particulières, on entendra par unité de

stockage métallique, une unité constituée d'un seul lingot massif s£.ns concavité

ou encore une ou plusieurs pièces métalliques placées dans une boîte étanche à

l'intérieur de laquelle il n'y a pas de matériau modérateur. De même on entendra

par unité de nature quelconque une unité de plutonium ou d'uranium dans n'importe

quel état de division, de modération et de densité. Dans tous les cas, les normes

données tiennent compte de l'interposition, entre les unités d^ stockage, de ma­

tériaux modérateurs.

1 - STOCKAGE EN CAGES CENTREES

Deux types de cages centrées sont en service dans les centres du CE.A. :

- cage PS.01 (anciennement U.Pu BF.12) pour le plutonium et l'uranium à

fort enrichissement ( > 10 % - cf. annexe I.1.),

- cages PS.04 et 05 (anciennement B6.3B et B8.1) pour l'uranium à faible

enrichissement (< 10 i») - cf- annexes 1.2. et 1.3«)« La cage PS.05 légèrement plus

haute que la précédente est renforcée afin de recevoir des charges plus importan­

tes.

La masse de matière fissi1e admise dans la cage et sun conditionnement

(définition de l'unité de stockage) sont donnés dans le tableau ci-après. Le pas

du réseau est évidemment imposé par la structure métallique des cages ; celles-ci

peuvent être disposées en réseau plan infini sur une ou deux couches selon les

précisions fournies par la colonne "réseau" du tableau . Il peut être intéressant

quelquefois, d'appliquer les normes de transport pour stocker ces cages. Excepté

dans le cas des cages PS.04 contenant de l'uranium dont l'enrichissement est com­

pris entre 5 et 10 #, le nombre admissible de cages par expédition est de 50.

Cela veut dire que dans les conditions les plus défavorables de modération et de

réflexion, un empilement cubique de 100 cages est encore sous-critique. Dans le

cas des cages PS.04 contenant de l'uranium dont l'enrichissement est compris en­

tre 5 et 10 le nombre admissible par expédition est de 20 ; par conséquent on

pourrait concevoir un stockage en empilant 40 cages aans précautions particulières.

- 14 -

Type de

cage

Matière

fissile

Enrichis­

sement

maximal

(uranium)

Unité de stockage

Réseau Observations Type de

cage

Matière

fissile

Enrichis­

sement

maximal

(uranium) Nature

diamètre

maximal cm

masse maximale kgU-235 ou Pu-2 39

Réseau Observations

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

Pu

quelconque 11 3

Plan infini un niveau ou 100 cages gerbees

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

Pu métal

5 5 id 4 lingots de 1,25 kg ou 3 lingots de 1,5 kg au plus avec modérateur possible entre les lingots.

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

Pu métal

10 id

4 lingots de 2,5 kg super­posés avev. une distance bord à bord minimale de 9 cm avec modérateur pos­sible entre les lingots.

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

Pu

métal 3,6 id

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

U 100 i

quelconque 11 3,6 id

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

U 100 i

quelconque 12,5 i id

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

U 100 i

quelconque 7 16 id

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

U 100 i métal 11,5 16 id

4 lingots de 1kg ou 2 lin­gots de 2 kg par conteneur décrit dans l'annexe 1.4-sodérateur possible entre lingots - 4 conteneurs su­perposés par cage.

Cage PS. 01

type fort

enrichis­

sement

(cf. annexe I.D

U 100 i

métal 11,5 20 id

1 lingot de 5 kg par conte­neur décrit dans l'annexe 1.4-4 conteneurs super­posée par cage.

Cages PS.04

et PS.05

type

faible

enrichisse­

ment

(cf. annexes 1.2 et 1.3)

i

U

10 $ quelconque 30,3 0,9

Plan infini un niveau ou 40 cages gerbées

plan infini deux niveaux avec répartition des ca­ges selon description de l'annexe 1.5 (stockage type magasin de CADARACHîJ.

Cages PS.04

et PS.05

type

faible

enrichisse­

ment

(cf. annexes 1.2 et 1.3)

i

U 5 *

quelconque 30,3 1 Plan infini un niveau ou 100 cages gerbées

id

Cages PS.04

et PS.05

type

faible

enrichisse­

ment

(cf. annexes 1.2 et 1.3)

i

U 5 *

métal 12,5 id id

Cages PS.04

et PS.05

type

faible

enrichisse­

ment

(cf. annexes 1.2 et 1.3)

i

U

I1> quelconque 30,3 1,2

I

id 1 --id

Produit a faible densité

Diamètre du "cylindre enveloppe" de l a matière f i s s i l e .

- 15 -

2 - STOCKAGE EN CASIERS

Les dimensions minimales des casiers sont : largeur

profondeur

hauteur

Ils sont disposés selon six rangées planes (de 5 niveaux de casiers

superposés) séparées alternativement par des allées de 4C cm et 110 cm de large.

La disposition générale de ce stockage est précisée dans l'annexe II. Il est à

remarquer que la hauteur sous plafond du magasin doit être au moins de 2,25 m.

On peut poser dans chaque casier (en les centrant) les unités de stocka­

ge définies ci-dessous :

Matière

fissile Nature

Dimensions

maximales

du

conteneur (cm)

Masse maximale

de 2 3 5 U ou 2 ^ p u

(kg)

Observations

Pu

métal 3

Pu

quelconque 0 = 11 H = 20

1

Pu quelconque 0,150

Pu

quelconque 0,250

condamner 1 casier sur 2

(disposition en quinconce)

Annexe II.2.

U

métal 4

2 lingots de 2 kg avec

modérateur possible entre

les lingots.

U

métal 5

U quelconque 0 = 12,5 H = 20

2 U

quelconque 0,250

U

quelconque 0,350

condamner 1 casier sur 2

(disposition en quinconce)

Annexe II.2.

35 cm

40 cm

35 cm

- 16 -

3 - STOCKAGE EN TUBES

Ce type de stockage est utilisé pour des solutions ou déchets modérés.

Sa rûreté est assurée soit par la géométrie soit par la géométrie et

la masse.

Les diamètres des tubes sont de :

- 12,5 cm pour l'uranium,

- 11 cm pour le plutonium

Deux types de stockage sont proposés suivant les schémas donnés en an­

nexe III.

Les normes de stockage sont résumées dans le tableau ci-dessous :

Matières

fissiles

Dimensions

des tubes cm

pas

cm

I Sûreté Type de réseau

Pu

0 * 11 H = 110 30 géométrie "BAG" Annexe III.1.

Pu 0 = 11 H » 130 30

masse

(2 kg par tube) magasin - Annexe III.2. Pu

0 = 11

H = 110 30 géométrie "couloir" Annexe III.3.

U

0 = 12,5 H » 110 40 géométrie "BAG" Annexe III.1.

U 0 = 12,5 H » 130 30

masse

(2 kg par tube) magasin- Annexe III.2. U

0 * 12,5 H » 110 40 géométrie "couloir" Annexe III.3*

Remarque :

Le tube peut être constitué par la superposition de récipients élé­mentaires cylindriques, la somme de leurs hauteurs étant au plus égale à celles figurant dans le tableau.

- 17 -

4 - STOCKAGE DES FUTS DE DECHETS SOLIDES PAUVRES

Les normes suivantes doivent permettre de faciliter le stockage de dé­

chets solides pauvres (sacs d'aspirette, cotons de nettoyage, chiffons...) que

l'on rencontre en grande quantité dans les installations. On met ces déchets dans

des fûts cylindriques (dont le rapport §^|^; e doit être inférieur à 3) à raison

de :

250 g ou 350 g de Plutonium-239 par fût

350 g ou 600 g d'uranium-235 par fût.

La nature même de ces déchets permet d'assurer que la matière fissile

sera répartie d'une façon relativement homogène dans chaq\ie fût.

Les courbes des annexes IV.1. et IV.2. donnent alors le nombre maximal

de fûts que l'on peut entasser dans un stockage, en fonction du volume du fût u-

tilisé et pour chacune des masses précédentes contenues.

Exemple : On peut stocker sans précaution particulière 70 fûts de 100 litres con­

tenant chacun 250 grammes de plutonium.

Il peut être intéressant de prévoir dans chaque fût des limites de mas­

ses inférieures aux valeurs précédentes et d'augmenter le nombre de fûts dans le

stockage. On peut alors utiliser les courbes données dans les annexes IV.1. et

IV.2. de la façon précisée dans l'exemple suivant :

Exemple : On cherche à stocker des fûts de 100 litres contenant chacun 100 grammes

de plutonium au plus ; 250 g de Pu sont répartis dans un volume de 250 litres, par

conséquent on pourra entasser 2,5x300 soit 750 fûts sans précaution particulière.

Ces normes peuvent également être utilisées pour des déchets riches

(par exemple bouteilles de solution placées dans les fûts). Dans ce cas la matiè­

re fissile n'est plus répartie d'une façon relativement homogène dans tout le vo­

lume du fût mais au contraire, y est bien localisée. Dès lors il faut imposer un

centrage de la matière fissile dans chaque fût.

On peut encore stocker les déchets solides pauvres en les répartiesant

sur une surface de référence - (qui peut être horizontale ou verticale) de façon

à avoir une masse par unité de surface inférieure à :

0,16 g/cm2 pour le 2 3 9Pu

0,29 g/cm2 pour l' 2 3 5U.

L'annexe IV.3. donne les masses admissibles par unité de surface pour

de l'uranium à divers enrichissements :

Exemple : 100 g de plutonium dans un fût de diamètre 40 cm représentent une masse

par unité de surface de : 0,079 g/cm2.

On peut donc concevoir un stockage plan infini de ces fûts gerbe» selon

^JwRSoit 2 niveaux.

- 18 -

5 - STOCKAGE DES ELEMENTS COMBUSTIBLES

5.1. - Eléments type MTR

L'élément Pégase 24 plaques (alliages U-Al à 26 # d'uranium - 590 g de 2 ^ U par élément) est certainement le plus réactif des éléments MTR actuels. On

pourra donc se référer aux conditions de stockage définies pour cet élément.

Les éléments Pégase sont stockés dans deux rangées parallèles de neuf

armoires séparées par une allée de 2,35 m de large. Chaque armoire comporte en

hauteur 4 étagères, chacune de ces dernières pouvaiit recevoir 4 éléments Pégase

juxtaposés. La disposition et les dimensions du stockage sont données en annexe

V.1., V.2. et V.3. Elles tiennent compte de la présence éventuelle d'eau.

Remarque : On aurait pu concevoir le stockage de ces éléments sur la base d'une

masse admissible de 0,29 g/cm de J U définie à propos des déchets solides pau­

vres.

5.2. - Barreaux d'uranium à faible enrichissement

Les réseaux de courbes des annexes V.4. et V.5. pour les barreaux pleins

en métal ou en oxyde fritte (à divers enrichissements en 5U) donnent les masses

admissibles d'U par unité de surface en fonction du diamètre des barreaux.

Ces courbes permettent de concevoir le stockage sous-critique de bar -re&ux, même en présence d'eau.

Exemple : Oa veut stocks - *;-i piscine des barreaux d'uranium métallique ayant les caractéristique si suivar .v.s :

longueur : 50 cm diamètre : 1,5 cm

masse \ 1680 g d'uranium total à 1,6 # de 5U soit 27 g de 5U.

La masse admissible par unité de surface est de 54 g/cm2.

On pourra donc stocker 540 kg par m 2 soit 321 barreaux par m 2.

Remarque : L'unité de surface envisagée peut être considérée soit horizontale soit verticale.

Manuscrit reçu le 25 février 1970

0 utile -13.8 — I

sf-l serrures • RICOUARO

Chemise interne inox èpr. Q.2 Protection thermique épr. k Corps cylindrique adx. épr. 0,8

Cage tube 0 3,5/ai

60x60 Cotes en cm.

Annexe 1.1 Cage de transport F S 01

Cot*? ?n crn.

4w?«re /.£ Cage ê fût FS04

Couvercle adx. épr. 1,2 fixé par 4 vis H 20

Virole adx. épr 0,5

Cage tube 2,6/3,4

Goussets rerforts / / adx. épr. 03

Cotes en cm.

Annexe U Cage renforcée U 5% FS05

Cotes en cm

Annexe î.4-Conteneur pour lingots *U " A Conteneurs superposés par cage_

ZONE

STOCKAGE

1 8 in 1 500-

8 x 8 x 2 = 128 unités de st<xkQoe

- 2 4 0 -

Cotes en cm

AnmxeLS Stockage type'Magasin de Cadarache

' / • / • ' / / / / / / / / • ' / ' / / / A ' / / / / , ',/y/S////',-,-/. ,///'//. y y

30 -+-35 •r

H w///;/'y/A

35

35 •r 35

35 2 *

40 + 401404-—110

y y Cotes en cm.

Annexe H.î Stockage en casiers

Cotes en cm.

DÎ5P0SIT0N EN QUINCONCE condamner 1 casier sur 2

Annexe H.2 Stockage en casiers

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\

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\ Cotes en cm

4 / } / * * * E.1 Stockage en tubes type* Boîte a gants"

411 - ï ou1Z5 \

-30 «27,5-

Çl^ \Jj ' \ j / ~ " Vj / ~ ïr VÏ/ V l / * ~~\±/"" \ i / " " V K "Vir

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J Cotes

Annexe E.2 Stockage en tubes type*Magasin"

y/^m^mmz/A

90

n

^m^mmm

25

30ou - 4 0 -

100-

A_._4-._^ 0 11 (Pu) ou 12.5 (U)

»oo

25 Q—-Q—-Q O—O- Cotes en cm.

4/wrew 2ZT.3 Stockage en tubes type*Couloir

Nombre admissible de fûts contenant 250 g de Pu^g _ 7_ 350g de Pu„ a 2-

. t . , j

3 4 5 6 78910* Volume dKfuts( t t rw)

Annexe WJ

Nombre admissible de tuts contenant 350g de 1)735-7-

Nombre admissible ÇOQg .de U i » - ^

Vbiume des fûts (ttres)

Anrxx*EL2

Enrichissement U5 V. r*1 1 1—r

Annexe ¥.3 Courbe de dilution Métal-Eau

Coles en cm

Annexe 7.1 Stockage d'éléments Pégese

Annexe Y.2

Annexe Y, 3

gem

g cm

Annexe F- 4 Masse admi*sbk de U total for trite de surface

gem

gem

Annexe Y-5 Masse admissible de Utotal par unité de surfax

l'.dUé pu le Sa vie,-: Central de Documentation du G.h.A,

Centr- d'Etudes Nucléaires de Surtax

Houe Postule «-1 'J

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