人怕辐射太高而死 清理日本福岛核危机要靠机器人

2018-05-22 14:13:41 quecongsoft 20

出品|网易科学人栏目组 小小

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2011年的地震和海啸在日本最大福岛核电站引发了毁灭性灾难,核辐射的清理工作需要几十年才能完成。然而人力有时而穷,这就需要无数机器人“献身”。

在探测任务进行的前一天晚上,松崎健二(Kenji Matsuzaki)无法入眠。在过去一年多的时间里,他所在的工程师团队始终在开发一种小机器人――一小太阳鱼(Little Sunfish)。这种机器人与面包圈大小相当,颜色红白相间,配备有五个螺旋桨、一个透明的圆顶、前置和后置摄像头以及大量传感器。小太阳鱼机器人被设计在强烈的核辐射、完全黑暗或水下环境中作业。经过三个月的测试、训练和微调,研究人员认为它已准备好完成自己的使命,即在福岛第一核电站三座堆芯融化的核反应堆中找到失踪放射性燃料,并拍摄照片。

2011年的地震和海啸袭击了日本东北部,并将福岛核设施及其周边地区变成放射性废墟,至今已经过去很多年了。在这段时间里,没有人能够确定三个堆芯熔毁的核反应堆里数百吨核燃料的具体去向。这些铀燃料由于过热而变成了岩浆状,并烧穿了钢质容器泄露出去。我们只知道这么多,在那之后发生了什么却一无所知。所有核燃料都从反应堆里流出来了吗,还是有些依然留在里面?它们是堆成一堆,摊在水坑里,还是飞溅到墙上?如果不知道这些问题的答案,几乎就不可能想出清理它们的计划。

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图1:在东芝的研究设施内,工程师们正看着水池(左图)。像太阳鱼(右)这样的机器人在被部署到核反应堆中之前,首先要在这里进行测试?

而处理这些核燃料已经成为当务之急,每天都有多达165吨的地下水渗入反应堆中,并受到辐射污染。而且有可能再次发生地震或其他灾难事件,导致反应堆再次破裂,促使辐射泄漏到空气、海洋中。人类无法进入福岛核反应堆的核心区去寻找丢失的燃料,因为我们无法忍受致命剂量辐射的威胁。为此,这项工作必须由机器人来完成。

不过,此前从来没有机器人完成过这样的任务。许多机器人已经尝试过,但都以失败告终。它们有时候会被碎片绊倒,厚厚的混凝土墙也会影响它们的无线信号传输,辐射甚至污染了它们的微处理器和摄像头组件。最终,这项任务落在了松崎健二的身上。松崎健二现年41岁,是东芝(Toshiba)旗下核技术部门的资深科学家。他正帮助建造一台有用的机器,它不会像其他机器人前辈那样成为探测核反应堆而牺牲的“尸体”。

仅仅是把小太阳鱼机器人及其支持装置送入巨大的混凝土建筑内(这里有受损的核反应堆)就用了两天时间。四个独立的团队轮流设置控制面板、电缆卷筒和机器人需要的其他设备。即使是穿着全套防护服,每组工作人员也只能在建筑物内呆上几分钟,在便携式照明设备的帮助下,在机器、管道和人行道的“灌木丛”中穿梭。

当一个团队达到每日最大辐射剂量时,就会被其他团队取代。松崎健二本人曾亲自进入里面做了两次尝试,对小太阳鱼机器人进行最后的调试。在夏天的高温条件下,面罩下和防护服内汗流不止。每当便携式显示器上显示,他已经达到每天能够忍受的最大辐射剂量时,他的神经都会随之跳动。

所有努力都是为了让小太阳鱼机器人花三天时间绘制核反应堆残骸中的地图,以寻找失踪核燃料的踪迹。松崎健二将在大约500米外的控制室监测其进展,旁边是来自其雇主――东芝和东京电力公司(Tepco)的六位高管。东京电力公司是这家核电站的所有者。松崎健二的成功(或者失败)将每天向全世界直播。

除了迫在眉睫的危险之外,清理福岛核电站仍然是修复日本能源产业形象的关键。在灾难发生后,日本关闭了数十座核电站,尽管这些核电站提供了该国27%的电力供应。为了弥补电力供应缺口,日本不得不大量增加昂贵化石燃料的进口。在经过几年的安全升级之后,有些核电站已经被允许重新启动,但福岛核危机却让该行业付出了巨大代价。民意调查一致表明,大多数公众反对核能发电。日本两名前首相(包括在灾难发生时就职的一名首相)也已经改变态度,从支持核电转向呼吁根除核电。

这场灾难也对全球核工业造成了沉重打击。此前,全球核工业已经获得了许多环保人士的青睐,因为它是化石燃料的一种无碳替代品。但在灾难发生后,德国宣布将逐步淘汰核电,越南放弃了新建核反应堆的计划,整个行业都陷入了被动之中。现在提议建造核反应堆的人都必须回答这个问题:我们怎么知道它不会成为下一个福岛?

不出所料,在这次探测任务的前几晚,松崎健二感受到了巨大压力。他向自己的老板Akira Tsuyuki坦承:“我做过关于失败的噩梦。”后者回答称“我也是”。2017年7月18日深夜,距离任务开始时间只剩下几个小时,松崎健二躺在那里,没有任何睡意,他想知道自己团队的技术是否能应对福岛核危机。

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图2:福岛第一核电站六个反应堆中的两个

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图3:一号核反应堆的外部建筑

2011年3月11日发生的大地震是日本有史以来最大的一次地震,震级达到里氏9.0级。它摧毁了日本东北部,引发一系列海啸,导致近16000人死亡。海啸还导致福岛第一核电站断电,促使反应堆核心中的循环冷却系统失效。在接下来的几天里,当东京电力公司的工程师们用手电重新恢复控制时,核电站六个反应堆中的三个(分别为一号、二号以及三号核反应堆)堆芯已经融化。损毁造成气体爆炸,导致放射性粒子(如碘、铯和钚等)被释放到空气中。日本政府下令方圆20公里范围内的所有人撤离,最终有16.5万人流离失所。

政府官员最初估计,清理核电站、净化周围地区以及补偿受灾者需要大约40年时间,花费高达500亿美元。但在2016年12月份,花费数字增长了两倍多,达到了1880亿美元。据彭博社报道,当时日本经济产业省大臣世耕弘成(Hiroshige Seko)在接受记者采访时说:“我们从未经历过像福岛这样大的灾难。凭借我们有限的知识,我们很难做出准确的预测。”

与世界上最严重的核灾难相比,福岛核电站的清理工作要多得多,也复杂得多。切尔诺贝利(Chernobyl)发生事故的核反应堆实际上被混凝土和钢铁包裹起来了。相比之下,三里岛(Three Mile Island)核事故规模也很小。只有一个反应堆熔化了,没有发生燃料泄漏事件。负责监督三英里岛清理工作的美国人莱克・巴雷特(Lake Barrett),从2013年开始担任东京电力公司和日本政府顾问,他承认:“福岛核电站的清理难度要大得多。”

辐射隔离区

核事故发生后,近16.5万人不得不从福岛核电站周围区域疏散,以避免遭到核辐射。如今,即使经过大量的清理工作,仍有5万人无法回家。在核反应堆熔毁后的最初数周内,由于辐射水平太高,任何人都无法在反应堆内工作,东京电力公司紧急部署机器人来评估和控制损坏。iRobot公司的Tractor-treaded机器人、Honeywell的无人机、东北大学的灾难响应机器人,都曾试图进入核反应堆中,以测量辐射强度。一辆遥控混凝土泵车被改造,使其可伸缩的喷口可以将水注入反应堆中,冷却并稳定过热的舱室。

在随后的几个月和几年里,福岛成为机器人技术的试验场,这些技术的设计目的是在危险环境中使用。远程控制的前端装载机、传送带和其他重型设备被用于分解放射性碎片,并将其装载到遥控自卸卡车上。一个四足步行机器人调查了反应堆所在的建筑。使用3D扫描仪的机器人被派去采集图像和绘制辐射水平。游泳机器人检查了乏燃料棒储存的水池,并拍下照片。

但这些机器人都无法进入反应堆最深处的区域。2013年8月份,日本政府牵头组建了由公共电力公司和私营公司参加的财团,其中包括三菱、日立和东芝,专门为最具挑战性的环境开发机器人。它被称为“国际核退役研究机构”(International Research Institute for?Nuclear Decommissioning),目前已经开发了大约20款被部署到辐射现场的机器人。

他们的队伍中包括一个蛇形机器人,它能通过狭小的通道进入一号核反应堆,然后弯曲成更稳定的U型,在里面探索。然后是蝎子(Scorpion),这是个尾部安装了摄像头的机器人,它被送入二号核反应堆中。日本政府正提供1亿美元资金,支持在核电站附近建立最先进的研发中心。在这里,操作员可以在巨大的3D全息核反应堆数字模型或实物大小的模型中,测试以及训练机器人。

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图4:在核电站附近的新研发中心,这个机器人正接受测试

但即使是在政府大规模投资的情况下,许多新机器人仍无法进入核反应堆内部。曾经有配备摄像头的机器人被派去为蝎子绘制路径,但却因为受到辐射而关机。蝎子本身也被掉落的碎片绊倒了。第一代蛇形机器人被卡住了,第二代表现更好,但却没有找到任何融化的核燃料。东京大学的教授Hajime Asama是日本政府求助的第一批机器人专家之一,他说:“在未知环境中设计机器人是非常困难的。在我们把机器人送进去之前,我们不知道里面的环境如何。而在派出机器人之后,我们再也无法改进它。”

松崎健二已经在东芝下属的核技术部门工作了10多年。到2016年5月被要求研发机器人去探索福岛核电站三号核反应堆内部的时候,他对核电站的基本架构已经很熟悉。所有六个核反应堆都是沸水反应堆,它们是在20世纪60年代末、70年代初设计的,在世界各地都有,包括美国。循环水通过沸水反应堆的热内核来产生电能,并将水转化为蒸汽以用于涡轮发电机。

每个核反应堆都有三个不同的容器包容,就像俄罗斯套娃那样的结构。其中,最小的容器是钢质舱室,大约与网球场的长度相当,它被称为反应堆压力容器。这也是核裂变反应发生的地方,燃料由被烤成陶瓷球团的二氧化铀所组成。这个舱室被封闭在主安全壳内,它是个混凝土和钢筋组成的结构,形状就像巨大的灯泡,可用来捕捉任何可能意外泄露的辐射。安全壳被安置在反应堆大楼内,后者是由混凝土和金属建成的长方体,只能提供很少的辐射防护。

身穿防护装置的技术人员可以在反应堆建筑内工作很短的时间,但是他们不能进入放射性更强的安全壳中,而安全壳很可能是他们可以找到至少一部分丢失核燃料的地方。要想制造能够进入安全壳内部、并保持机动性的机器人,存在几个独特的挑战。首先,安全壳只有在反应堆大楼地面2.4米高的地方才有5.5英寸的圆形维修通道,为此机器人的体型必须足够小巧才能进入。第二,由于安全壳里装满了用来冷却核反应堆的水,为此机器人必须能够游泳。第三,由于水和厚墙可能阻碍无线信号传播,为此小巧、会游泳的机器人需要足够强大,能够在水下拖动长达60多米的电缆。

小太阳鱼机器人在东芝实验室和政府运营的“港口与机场研究所”的巨大的模拟水池中进行了数月的研究、实验和测试,以平衡其上述所有功能。松崎健二及其团队尝试了不同的螺旋桨、摄像头以及传感器配置,提高螺旋桨发动机的功率,开发新型涂层,使电缆的移动更加顺畅,并确保所有设备能够承受极高的辐射。

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图5:在Naraha远程技术开发中心的模拟设施

7月19日午夜,也就是小太阳鱼机器人第一次进入反应堆的日子,松崎健二的闹钟在他下榻的酒店房间内响起。他和其他团队成员住在磐城(Iwaki),那里是距离福岛核电站以南最宜居的城市,两地相隔约一小时车程。在漆黑的夜晚开始他们新的一天,这是让他们能有足够时间开车前往核电站、穿上防护装备,并在任务开始前举行最后一轮会议的唯一方法。这些事情要用去他们8个小时的时间。到中午时,反应堆大楼内的技术人员就会因为太热而无法监控机器人工作。

凌晨四点半左右,穿着全套防护装备的东芝技术人员冲进了反应堆大楼。他们快速来到安全壳的外墙处,爬上阶梯,直到小太阳鱼及其设备被预先放置的地方。他们把阀门打开,然后将其与沉重的导管相连,再把太阳鱼放在它的顶端,一直穿到另一头。慢慢地,小心翼翼地,他们把管子弯成斜角,直到机器人滑进下面的水里。

里面一片漆黑。控制室的监控器通过电缆线与太阳鱼的控制系统相连,在小太阳鱼携带的照明设备照耀下,松崎健二团队能看到一条狭长的带状区域穿透浑浊的海水。坐在长桌子前,一名技术人员正用类似视频游戏控制器的设备“操控”小太阳鱼。另一个人把它的电缆固定住,让它绷紧,这样在机器人四处游动时才不会被缠住。第三个人则利用安全壳的3D软件模型估计机器人的位置。松崎健二监督所有人的工作,甚至忘记那些监视他们的公司高管。

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图6:太阳鱼机器人必须能够游泳,且能够通过密封容器的微小开口,同时能够克服其他机器人遇到的挑战

任务第一天,太阳鱼机器人的大部分时间都在侦察。安全壳内的损毁比预期的更严重,地板上满是卵石大小、无法辨认的碎片,残损的设备散落在各处。但是没有核燃料的痕迹,经过8个小时的搜寻,松崎健二团队把太阳鱼拉回了水面。第二天,他们休息了一天,并借机讨论他们的发现,以及制定下一步计划。

第三天早上,操控团队把太阳鱼重新放回水中。这个团队小心翼翼地驾驭着它,但是时间一长,机器人的强大螺旋桨就会搅起令人目眩的沉淀物,迫使他们只能等到水变清才能继续行动。经过几个小时的探索,随着正午的临近,松崎健二感到越来越紧张。接着,监视器上出现了一些令人吃惊的东西。松崎健二突然指着监视器问道:“那是什么?”

每个人都立即警惕起来,并指着他们屏幕上看到的东西:从反应堆压力容器底部流出像烛蜡一样的东西,看起来像是钟乳石。显然,他们发现了失踪核燃料的第一个迹象。在把机器人拉出来之前,他们在该区域附近操纵着太阳鱼,尽可能多地记录下更多信息。当松崎健二宣布任务完成时,控制室爆发出一片掌声。

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图7:小太阳鱼机器人项目的首席科学家松崎健二

福岛第一核电站占地约348公顷,到目前为止,其大部分区域比你想象的要安全得多。核电站中大部分地区已经被净化到不再需要穿全身防护服的地步。负责清理这个地方的5000多名工人砍下了数百棵樱花树,曾经长满青草的开阔地带表面土层被清理走厚厚一层,许多建筑的清理已经完毕。他们还用粘土覆盖了附近海岸的海底,借以封住灾难后渗入泥中的铯。他们使用一种巨大的、专门建造的燃料处理机器,从4号反应堆中取出了数百个乏铀燃料棒。这个反应堆在爆炸中受损,但堆芯没有熔化。

不过,去年12月份,当记者与东京电力公司的美国顾问莱克・巴雷特(Lake Barrett)共同前往那里时,他们不得不戴上手套、安全眼镜、医用口罩,穿上三双袜子,在鞋子外层套上塑料靴,并随身携带个人辐射探测器,然后才被允许进入该设施。现年72岁的巴雷特身材高大,身体健康,精力充沛。当巴雷特最初听到关于这场灾难的新闻报道时,他称自己并没有想太多,毕竟围绕这样的事情总是有很多炒作。?

可是随后,他看到了一号核反应堆爆炸的画面。他喊道:“天啊,我知道那是什么。”当寻求帮助的电话打来时,他没有任何犹豫。他说:“这对我个人来说,日本是唯一在三里岛事件中帮助过我们的国家,这是我们欠日本的。”

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图8:在福岛核电站内,每座蓝塔都装有100个个人辐射探测器。

一座曾长满花草的小山顶现在被混凝土包裹着,巴雷特等人调查了三幢堆芯融化的反应堆大楼,它们的轮廓在冬季的天空和后面的太平洋中被勾勒出来。远程操作的、橙白相间的起重机就像虔诚的金属长颈鹿那样俯身在它们上方。这些反应堆大楼是事故区的绝对核心,机器人必须穿透它们的放射性区域。

每栋反应堆大楼都构成了一个独特的挑战,它们的辐射水平和类型都不相同,比如淹没它们地基的水的深度。当然,每栋大楼的中心都有许多融化的核燃料,它们正以不同的方式流向不同的地方。在距离这三座反应堆不到800米远的地方,还有另外三座反应堆,其中之一是在海啸袭来时被关闭进行定期维护的反应堆。由于它基本上毫发无损,且与受损的反应堆结构完全相同,为此东京电力公司的工程师使用它来制定机器人任务。里面是个令人困惑的机器、管道、电缆和人行道迷宫,巴雷特叹道:“你可以看到在这里运行机器人有多难!”

在通往安全壳的道路上前进时,巴雷特指着容器壁上的圆形开口称:“这就像太阳鱼进入的地方一样。”巴雷特进入安全壳,穿过狭窄的通道进入反应堆压力容器下面的一个舱室,控制棒组件就固定在反应堆容器的底部,人们必须蹲伏身体以免撞到头。巴雷特指出了关键区域和组件,帮助人们了解目前每个堆芯熔化的核反应堆的理论状态。他说:“没有人知道熔岩是否形成了整齐的垂直堆,或者在横向流动。炽热的熔融燃料可能落入水中,导致蒸汽爆炸,这将使它无处不在。”

至少在三号核反应堆是如此,多亏了太阳鱼的帮助,东京电力公司对有些事情已经相当确定。太阳鱼所拍摄的照片显示,反应堆容器底部的控制杆机构已经解体。熔化的燃料与熔化的金属混合,从它们留下的开口向下滴落,并形成了我们在视频中看到的“钟乳石”。这种类似熔岩的混合物在反应堆压力容器和用于插入控制棒的冰箱大小的机器上燃烧,其有些液体滴到安全壳的底部。安全壳的墙壁上似乎也有大量的燃料。

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图9:每个反应堆都由三个容器组成,就像俄罗斯套娃那样的结构,里面是关键核设施。1.反应堆大楼:大型混凝土和钢筋结构,作为防止辐射泄漏到外界的最后一道防线。2.主安全壳:由钢筋和混凝土制成的密闭外壳。3.反应堆压力容器:装有铀燃料的厚钢容器,这些燃料为核反应堆提供动力。4.控制棒驱动:利用细棒加速或减缓核裂变反应的机械系统,燃料棒的工作原理是吸收引起连锁反应的杂散中子。5.基座:支撑反应堆的圆形混凝土结构。从内部,工人可以进入控制棒驱动系统中。

不过,这里这里仍然留下了很多未知的东西。巴雷特问道:“在太阳鱼任务结束的时候,我们从中学到了多少?这只是一小步,而不是一次飞跃。我们越来越近目标,但我们还有很长的路要走。”东京电力公司继续努力侦查反应堆内部情况。今年1月份,一个机器人探测器利用长杆上安装的遥控摄像头,第一次在二号核反应堆中发现了融化的核燃料。

也许太阳鱼机器人会接受另一项任务,尽管它不会是在三号核反应堆中发现燃料的机器人。尽管它毫发无损地完成了探测任务,但其本身可能吸收了危险水平的无线电活动。东京电力公司的工程师将其密封在一个钢桶中,并将其与核电站现场的其他放射性废料进行混合处理。由于太阳鱼的发现是有限的、不确定的,它只会帮助加强探索。工程师们已经开始思考如何构建下一代机器人,它们必须帮助完成最复杂的任务,即移除熔化的燃料。

这些下一代机器人面临的第一个挑战是,如何使机器人能够达到它们的目标。巴雷特表示:“这些狭窄的空间里装满了重达数吨的巨大设备。你必须把它们切成小块,然后把它们拉出来。”目前比较受欢迎的一个想法是建造长达6米的巨大机器人手臂,它将通过轨道进入反应堆大楼,然后进入反应堆压力容器,并把燃料收集起来。另一种方法是为冰箱大小的机器人安装拖拉机履带,并配备切割和抓取工具来清理碎片。第二个机器人会把碎屑装进容器、封好,然后放在传送带上送出来。

这两种方法都需要数年才能见效,或者两者都可能失败。东京电力公司已将2021年定为开始清除燃料碎片的目标年,那么整个福岛的清理工作需要多长时间?国际核退役研究机构高级经理Naoaki Okuzumi说:“这是个好问题,但没有人知道答案。在人类历史上,我们还从未有过这样的经历。政府认为需要30到40年,我认为这是乐观的估计。”

虽然福岛核电站内部的机器人工作还在继续,但曾经居住在核电站附近的人们正在等待回家。日本政府已经净化了几个城镇,并敦促居民返回。然而截至去年12月份,大约337平方公里的土地仍然是禁区,包括位于离核电站几公里远的山丘上的Okuma镇。当地政府负责重建工作的前居民高田义宏(Yoshihiro Takada)同意带记者四处参观。他的一生几乎都在Okuma度过,当灾难降临时,他不得不与妻子、孩子以及父母一起逃离。他们已经搬迁到100公里外的另一个城镇。

记者在隔离区外的停车场遇到了高田义宏,在那里他们穿上了全套的防护服,包括衣服、面罩、手套、袜子和靴子,以保护他们不受辐射影响。即使吸入了其中一种同位素灰尘,也可能是非常危险的。这也是核辐射如此可怕的原因之一:你无法感觉到它,看到它,或者闻到它。它可以在你不知情的情况下,悄悄地杀死你。

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图10:距离福岛核电站几公里远的Okuma,游客们在被遗弃的街道上行走时,必须穿上全身防护服

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图11:在Okuma,隔离区显得十分荒芜

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图12:Tomioka的放射性废物,它将被埋葬200年

火车站、理发店、餐馆或商店里都没有人,住宅街道上朴素的房屋和公寓楼中也都是空的。走在空荡荡的大街上,人们听到的唯一的声音就是鸟的叫声,它们显然没有意识到自己选择在辐射区筑巢。高田义宏指着一家关门的餐馆说:“我记得这个地方,他们的披萨太好吃了!”几家商店的窗户已经被从山上下来的野猪撞碎,它们洗劫了这个荒芜的城镇以寻找食物。汽车停放在杂草丛生的车道上。高田义宏只是偶尔回自己家里检查一下,他说:“老鼠在里面到处跑,到处都是粪便和垃圾。”

福岛周围的地区大多是风景秀丽的农田,周围长满了茂密的树木。但是沿着任何道路行驶,你都会路过这样一片地方,摆满成排的、类似大卵石的黑色塑料袋子。袋子里装满了被污染的土壤,它们都是从污染区的花园、学校、庭院以及田地中清除掉的。大约有2000万个这样的塑料袋散落在福岛各地。其中许多最终将被转移到福岛第一核电站(Fukushima Daiichi)的外围进行无限期封存,同时还有越来越多的装有放射性水的储罐继续从反应堆中泵出。

最终,没有任何技术能简单地解决福岛发生的危机。唯一可以确定的是,这将是一个缓慢的、渐进的、令人沮丧的清理过程,甚至可能穷极松崎健二的一生都无法完成。目前,所有科学家、工程师以及他们的盟友能做的就是控制放射性物质,追踪其来源,并试图捕捉它。但首先,他们需要制造机器人来进行试探。(小小)

郭浩 本文来源:网易科学人 责任编辑:郭浩_NT5629
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