차세대 핵융합로의 핵심, 방사선 손상을 극복한 텅스텐 고엔트로피 합금의 등장

이 기술 요약은 O. El-Atwani 외 저자의 논문 “Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-based High Entropy Alloys”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: 텅스텐 고엔트로피 합금
• Secondary Keywords: 내방사선성, 핵융합, 플라즈마 대향 재료, 나노결정, 석출물

Executive Summary

• 도전 과제: 핵융합 원자로와 같은 극한 환경에 사용되는 기존 텅스텐 소재는 강력한 방사선에 의해 손상되어 성능이 저하되는 한계가 있었습니다.
• 연구 방법: W-Ta-Cr-V(텅스텐-탄탈럼-크롬-바나듐) 기반의 신규 고엔트로피 합금(High Entropy Alloy, HEA)을 개발하고, 투과전자현미경(TEM), 원자 프로브 단층 촬영(APT) 등 첨단 분석 기법을 통해 방사선 조사 전후의 미세구조 변화를 정밀하게 분석했습니다.
• 핵심 돌파구: 개발된 합금은 고온, 고선량(8 dpa)의 방사선 조사 환경에서도 재료의 결함인 전위 루프(dislocation loop)가 전혀 형성되지 않는 전례 없는 내방사선성을 보였습니다. 대신, 안정한 나노 크기의 석출물이 형성되어 구조적 안정성을 유지했습니다.
• 핵심 결론: 이 새로운 텅스텐 고엔트로피 합금은 탁월한 내방사선성과 기계적 안정성을 바탕으로, 차세대 핵융합로의 플라즈마 대향 재료(PFM) 및 극한 환경용 구조 재료의 유력한 후보로 부상했습니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가

핵융합 발전은 미래의 청정에너지원으로 주목받고 있지만, 이를 실현하기 위해서는 초고온의 플라즈마를 견딜 수 있는 첨단 소재 개발이 필수적입니다. 특히 플라즈마와 직접 맞닿는 플라즈마 대향 재료(PFM)는 높은 융점, 낮은 침식률, 우수한 열-기계적 특성을 가져야 합니다.

현재 가장 유력한 후보 물질인 텅스텐(W)은 높은 융점 등 여러 장점을 가지고 있지만, 낮은 파괴 인성과 방사선에 의한 취성(embrittlement) 및 ‘퍼즈(fuzz)’와 같은 표면 손상 문제가 심각한 단점으로 지적되어 왔습니다. 이러한 손상은 재료의 수명을 단축시키고 원자로의 안정성을 위협할 수 있습니다. 따라서 기존 텅스텐의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 소재 개발은 핵융합 기술 상용화를 위한 최우선 과제 중 하나입니다. 본 연구는 이러한 산업적 난제를 해결하기 위해 ‘고엔트로피 합금’이라는 새로운 접근법을 제시합니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구팀은 텅스텐 기반의 새로운 4원소계(W-Ta-Cr-V) 고엔트로피 합금을 개발하고 그 특성을 평가했습니다.

• 소재 제작: 마그네트론 스퍼터링/전자빔 증착 하이브리드 물리 기상 증착법(Magnetron Sputtering/E-beam Evaporation Hybrid Physical Vapor Deposition)을 사용하여 박막 형태의 W-Ta-Cr-V 합금을 제작했습니다.
• 미세구조 분석: 제작된 합금의 구조적, 화학적 특성을 파악하기 위해 투과전자현미경(TEM), X선 회절(XRD), 원자 프로브 단층 촬영(APT) 등 정밀 분석 기술을 동원했습니다. 이를 통해 나노결정 및 초미세결정이 혼합된 바이모달(bimodal) 결정립 크기 분포와 독특한 라멜라(lamella-like) 구조를 확인했습니다.
• 방사선 조사 실험: 합금의 내방사선성을 평가하기 위해 두 가지 방식의 실험을 진행했습니다.
  1. In-situ (실시간) 조사: 1 MeV Kr²⁺ 이온을 사용하여 상온 및 1073 K의 고온에서 최대 8 dpa까지 방사선을 조사하면서 TEM으로 미세구조 변화를 실시간으로 관찰했습니다.
  2. Ex-situ 조사: 3 MeV Cu⁺ 이온을 사용하여 최대 ~17 dpa의 더 높은 선량으로 조사한 후 시편을 분석했습니다.
• 이론적 모델링: 실험 결과를 이론적으로 뒷받침하기 위해 제일원리(ab initio) 계산과 몬테카를로 시뮬레이션을 결합하여 합금 내에서 Cr과 V가 풍부한 2차상 입자가 형성되는 현상을 예측했습니다.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 전례 없는 수준의 방사선 손상 저항성

이 연구의 가장 놀라운 발견은 개발된 W-Ta-Cr-V 합금이 극심한 방사선 환경에서도 구조적 결함이 거의 발생하지 않았다는 점입니다. 일반적으로 금속 재료는 방사선에 노출되면 원자 빈자리(vacancy)와 격자간 원자(interstitial) 같은 점결함(point defect)이 생성되고, 이들이 뭉쳐 전위 루프와 같은 거시적 결함으로 성장하여 재료를 약화시킵니다.

하지만 이 합금에서는 Figure 3에서 보듯이, 1073 K의 고온에서 8 dpa라는 높은 손상량까지 방사선을 조사했음에도 불구하고 전위 루프가 전혀 관찰되지 않았습니다. 대신, 이미지 상의 ‘검은 점(black spots)’으로 보이는 미세한 석출물의 밀도가 증가하는 현상만 나타났습니다. 이는 합금이 방사선 에너지를 결함 형성 대신 안정한 미세구조로 전환시키는 독특한 메커니즘을 가지고 있음을 시사합니다.

발견 2: 안정한 Cr-V 나노 석출물의 형성 및 역할 규명

연구팀은 방사선 조사 후 관찰된 ‘검은 점’의 정체를 밝히기 위해 정밀 분석을 수행했습니다. Figure 4의 2-빔 TEM 분석 결과, 특정 회절 조건에서 모든 종류의 전위 루프가 보여야 함에도 불구하고 아무것도 관찰되지 않아 이 점들이 전위 루프가 아님을 입증했습니다.

더 나아가 Figure 5의 APT 분석을 통해 이 검은 점들이 Cr(크롬)과 V(바나듐)가 풍부한 약 3-5 nm 크기의 구형 나노 입자임을 명확히 밝혔습니다. 초기 증착 상태에서 관찰되었던 4 nm 두께의 독특한 라멜라 구조는 방사선 조사 후 이러한 구형 나노 석출물로 진화했습니다. 이론적 모델링 결과 역시 Cr과 V가 분리되어 별도의 상을 형성하려는 강력한 열역학적 경향이 있음을 예측하여 실험 결과를 뒷받침했습니다. 이 안정한 나노 석출물들이 점결함의 소멸처(sink) 역할을 하여 전위 루프의 핵 생성 및 성장을 억제하는 것으로 보입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어 (소재 개발자)에게: 본 연구는 W-Ta-Cr-V라는 특정 4원소계 조합이 재료 내부의 결함 동역학을 근본적으로 제어할 수 있음을 보여줍니다. 이는 단순히 강도를 높이는 것을 넘어, 방사선 저항성을 극대화하는 새로운 합금 설계 원리를 제시합니다.
• 품질 관리팀 (재료 과학자)에게: APT 데이터(Figure 2, 5)는 재료의 성능을 좌우하는 핵심 요소가 나노미터 스케일의 화학적 분포(라멜라 구조, 석출물)에 있음을 명확히 보여줍니다. 이는 기존의 거시적 분석법을 넘어, 원자 단위의 정밀 분석이 신소재의 품질 보증에 필수적임을 의미합니다.
• 설계 엔지니어 (핵융합로 설계자)에게: 이 합금은 14 GPa에 달하는 높은 초기 경도와 방사선 조사 후에도 경도 변화가 거의 없는 ‘조사 경화(irradiation hardening) 현상’이 미미하다는 특징을 보입니다. 이는 이 소재로 제작된 부품이 극한 환경에서도 기계적 특성을 안정적으로 유지하여 원자로의 수명과 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 시사합니다.

논문 상세 정보

Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-based High Entropy Alloys

1. 개요:

• 제목: Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-based High Entropy Alloys (텅스텐 기반 고엔트로피 합금의 탁월한 내방사선성)
• 저자: O. El-Atwani, N. Li, M. Li, A. Devaraj, M. Schneider, D. Sobieraj, J.S. Wrobel, D. D. Nguyen-Manh, S. A. Maloy, and E. Martinez
• 발행 연도:
• 발행 학술지/학회:
• 키워드: high entropy alloys, irradiation, nanocrystalline, precipitate, transmission electron microcopy, Cr segregation (고엔트로피 합금, 방사선 조사, 나노결정, 석출물, 투과전자현미경, Cr 분리)

2. 초록:

탁월한 내방사선성을 가진 새로운 W(텅스텐) 기반 내화 고엔트로피 합금이 개발되었다. 이 합금은 박막 형태로 성장되었으며, 나노결정과 초미세결정 영역에 걸친 바이모달(bimodal) 결정립 크기 분포와 원자 프로브 단층 촬영(APT)으로 밝혀진 독특한 4nm 라멜라형 구조를 보였다. 투과전자현미경(TEM)과 X선 회절 분석 결과, 기저에 체심입방(BCC) 결정 구조가 있으며 고온 열처리 후 특정 검은 점들이 나타났다. TEM과 APT를 통한 정밀 분석은 이 검은 점들이 Cr(크롬)과 V(바나듐)가 풍부한 2차상 입자와 연관되어 있음을 확인했다. in situ 및 ex situ 방사선 조사 후, 이 석출물들은 준구형 입자로 진화했으며, 상온 또는 1073 K에서 8 dpa의 조사량 이후에도 방사선으로 인한 전위 루프의 흔적은 보이지 않았다. 또한, 나노역학 시험 결과 증착된 시료는 14 GPa의 높은 경도를 보였고, 열처리 후 약간의 경도 증가와 거의 무시할 수 있는 수준의 조사 경화 현상을 나타냈다. ab initio 방법론과 몬테카를로 기법을 결합한 이론적 모델링은 Cr과 V가 풍부한 2차상 입자의 형성을 예측했으며, 점결함의 동일한 이동성이 이러한 현상의 원인임을 시사했다.

3. 서론:

핵융합 원자로의 디버터(divertor)나 플라즈마 대향 재료(PFM)와 같은 핵심 부품은 저방사화, 고융점, 우수한 열-기계적 특성, 낮은 스퍼터링 침식 및 낮은 삼중수소 잔류 등 엄격한 요구조건을 만족해야 한다. 텅스텐(W)은 높은 융점과 낮은 침식률 덕분에 가장 유력한 PFM 후보 물질이지만, 취성 파괴라는 심각한 단점을 가지고 있다. 또한, 방사선에 의해 블리스터링(blistering), 퍼즈(fuzz) 형성 등 다양한 손상이 발생하여 사용에 제약을 받는다. 이러한 문제를 해결하기 위해 합금화나 나노구조 엔지니어링 같은 전략이 연구되고 있다. 최근 여러 주원소로 구성된 고엔트로피 합금(HEA)이 전통적인 재료를 뛰어넘는 우수한 기계적 특성을 보여주며 새로운 대안으로 주목받고 있다. 본 연구에서는 핵융합 환경 적용을 목표로 새로운 W 기반 내화 HEA를 개발하고, 열적 조건 및 방사선 조사 환경에서의 특성을 평가하고자 한다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

핵융합 에너지 상용화를 위해 필수적인 플라즈마 대향 재료(PFM) 개발이 시급하며, 현재 선두 주자인 텅스텐은 내방사선성 및 기계적 특성에서 한계를 보이고 있다.

이전 연구 현황:

텅스텐의 단점을 보완하기 위해 다른 원소를 첨가하는 합금화 전략이 시도되었으나, 획기적인 성능 개선에는 이르지 못했다. 고엔트로피 합금(HEA)은 우수한 기계적 특성으로 주목받았지만, 특히 내화성 HEA의 방사선 조사 거동에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다.

연구 목적:

W-Ta-Cr-V 4원소계 나노결정 고엔트로피 합금을 개발하고, 열적 안정성 및 방사선 조사 환경에서의 미세구조 변화와 기계적 특성을 평가하여 핵융합 재료로서의 잠재력을 규명하는 것을 목적으로 한다.

핵심 연구:

• W-Ta-Cr-V 합금 박막을 제작하고, TEM, APT 등을 이용해 초기 미세구조를 분석했다.
• 고온 및 상온에서 이온 방사선을 조사하면서 미세구조 변화를 실시간으로 관찰(in situ)하고, 조사 후 정밀 분석(ex situ)을 수행했다.
• 나노인덴테이션 시험을 통해 방사선 조사 전후의 경도 변화를 측정했다.
• 제일원리 계산 기반의 이론적 모델링을 통해 실험에서 관찰된 석출물 형성 메커니즘과 탁월한 내방사선성의 원인을 이론적으로 설명했다.

5. 연구 방법론:

연구 설계:

본 연구는 실험적 접근과 이론적 모델링을 병행했다. 실험적으로는 W-Ta-Cr-V 합금을 합성하고, 열처리 및 방사선 조사라는 변수를 적용하여 그에 따른 미세구조 및 기계적 특성 변화를 체계적으로 분석했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 합금 제작: 마그네트론 스퍼터링을 이용해 순수 금속 타겟으로부터 박막을 증착했다.
• 미세구조 분석: X선 회절(XRD), 투과전자현미경(TEM), 에너지 분산형 분광법(EDS), 원자 프로브 단층 촬영(APT)을 통해 결정 구조, 결정립 크기, 화학적 조성 및 원소 분포를 분석했다.
• 방사선 조사: in situ 조사는 아르곤 국립 연구소의 IVEM 시설에서 1 MeV Kr²⁺ 이온을 사용했고, ex situ 조사는 로스 알러모스 국립 연구소의 IBML 시설에서 3 MeV Cu⁺ 이온을 사용했다.
• 기계적 특성 평가: 나노인덴테이션을 통해 경도를 측정했다.
• 이론 모델링: 클러스터 확장(CE) 형식론과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 합금의 상 안정성과 원소 분리 경향을 계산했다.

연구 주제 및 범위:

연구는 W₃₈Ta₃₆Cr₁₅V₁₁ 조성의 4원소계 고엔트로피 합금에 초점을 맞추었다. 상온에서 1073 K까지의 온도 범위와 최대 17 dpa의 방사선 손상량 범위에서 합금의 거동을 조사했다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 개발된 W-Ta-Cr-V 합금은 나노결정과 초미세결정이 혼재하는 바이모달(bimodal) 결정립 크기 분포와 단일 체심입방(BCC) 결정 구조를 가졌다.
• 증착된 상태의 합금은 APT 분석 결과 약 4 nm 두께의 독특한 라멜라(층상) 구조를 보였다.
• 고온(1073 K) 및 고선량(8 dpa)의 방사선 조사 후에도, 재료의 기계적 성능을 저하하는 주요 원인인 전위 루프가 전혀 형성되지 않았다.
• 대신, 방사선 조사에 의해 Cr과 V가 풍부한 3-5 nm 크기의 나노 석출물이 형성되는 것이 확인되었으며, 이는 이론적 모델링 결과와 일치했다.
• 나노인덴테이션 결과, 합금은 14 GPa의 매우 높은 초기 경도를 보였으며, 방사선 조사 후에도 경도 증가가 거의 없는(무시할 수 있는 수준의 조사 경화) 안정적인 기계적 특성을 유지했다.

Figure 목록:

• Figure 1: (a) Cross section TEM image of the HEA film showing a region where EDS line scan is performed. (b) EDS line scan concentration profiles of the elements in the HEA film. (c) Cross-section scanning electron microscopy micrograph with EDS maps of the elemental composition on the HEA film.
• Figure 2: The 3D distribution of Cr, V, Ta and W in the as-deposited HEA alloy revealed by APT is shown in (a) to (d), respectively. 2D compositional maps of Cr, V, Ta and W using a 25x1x20nm slice of APT data are shown in (e) to (h) where the color scale bars below each figure denotes concentration range for each element. The top down view of the APT result showing the location of three distinct grain boundaries captured by APT as well as corresponding elemental segregation is shown in (i-1).
• Figure 3: Bright-field TEM micrographs as a function of dpa of in situ 1 MeV Kr+2 irradiated HEA alloy at 1073 K using a dpa rate of 0.0016 dpa.s¯¹. (a) pre-irradiation, (b) 0.2 dpa, (c) 0.6 dpa, (d) 1.0 dpa, (e) 1.6 dpa and (f) 3.2 dpa, (g) 4.8 dpa, (h), 6.4 dpa and (i) 8 dpa. Images show enhanced precipitation (black spots formation) in some grains. All images have the same scale bar.
• Figure 4: Post-irradiation bright-field TEM micrographs of 8 dpa 1 MeV Kr+2 irradiated HEA alloy at 1073 K using a dpa rate of 0.0016 dpa.s-¹ (a) Using down <111> zone imaging showing small black spots (precipitates). (b) 2-beam image with <211> g vector showing no black spots. Insets show magnified images. Both images have the same scale bar.
• Figure 5: The 3D distribution of Cr, V, Ta and W in the 8 dpa irradiated HEA alloy with 3 MeV Cu⁺ at 1050 K revealed by APT is shown in (a) to (d) respectively. 2D compositional maps of Cr, V, Ta and W using a 25x1x20nm slice of APT data is shown in (e) to (h) where the color scale bars below each figure denotes concentration values for each element. The top down view of the APT result showing the location of three distinct grain boundaries captured by APT as well as corresponding elemental segregation is shown in (i-l). (m) shows the side view of reconstruction with 25 at % Cr isocomposition surface showing Cr-V rich precipitates inside grains and the top down view is shown in (n). The compositional partitioning between the precipitate and matrix is shown in (o).
• Figure 6: (a) Average SRO parameters in W38Ta35Cr16V11 alloy as function of temperature. (b) Atomic configuration in a W38Ta36Cr15V11 alloys at T=1000K after SGMC simulations. (c) Average concentration profile of each element along the [001] direction across the Cr-V cluster.

7. 결론:

본 연구는 38% W, 36% Ta, 15% Cr, 11% V로 구성된 새로운 내화 고엔트로피 합금의 개발을 보고한다. 이 합금은 단일 BCC 결정 구조와 바이모달 결정립 크기 분포를 가지며, 방사선 조사 후 Cr과 V가 풍부한 2차상이 형성된다. 미세구조에 대한 정밀 분석 결과, 고온·고선량 방사선 조사 환경에서도 방사선 유발 전위 루프가 전혀 형성되지 않음을 확인했으며, 이는 관찰된 검은 점들이 2차상 입자임을 명확히 한다. 이 합금은 약 14 GPa의 높은 경도를 가지며 조사 경화 현상이 거의 나타나지 않았다. 이론 모델링 결과는 실험에서 관찰된 상 분리 현상과 잘 일치했으며, 속도론 모델은 이러한 탁월한 내방사선성이 합금 내 점결함들의 이동성이 비슷하여 재결합 확률이 극대화되기 때문이라고 설명한다. 대량 생산에 적합하다는 사실과 함께 탁월한 내방사선성 및 기계적 특성은 이 합금을 극한 방사선 환경에 사용될 이상적인 구조 재료로 만든다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 텅스텐 기반 합금에 Cr(크롬)과 V(바나듐)을 특별히 선택한 이유가 무엇인가요?

A1: 이론적 모델링 결과(Figure 6)에 따르면, 이 합금 시스템에서 Cr과 V는 다른 원소들과 섞이기보다 서로 뭉쳐 분리되려는(segregation) 강한 열역학적 경향을 보입니다. 연구팀은 이러한 경향을 역으로 이용하여, 방사선 조사 시 결함으로 발전하는 대신 안정적인 나노 석출물을 형성하도록 유도했습니다. 이 석출물들이 재료의 내방사선성을 높이는 핵심적인 역할을 합니다.

Q2: 논문에서는 관찰된 검은 점들이 전위 루프가 아닌 석출물이라고 주장하는데, 가장 결정적인 증거는 무엇인가요?

A2: 가장 결정적인 증거는 두 가지입니다. 첫째, Figure 4b에서 보여주는 2-빔(2-beam) TEM 분석입니다. <211> g-벡터 조건에서는 BCC 구조에서 가능한 모든 종류의 전위 루프가 관찰되어야 하지만, 이미지에서는 아무런 루프도 보이지 않았습니다. 둘째, Figure 5의 APT 분석을 통해 이 검은 점들의 3차원 원소 분포를 직접 확인한 결과, Cr과 V 원자가 밀집된 클러스터임이 명확히 밝혀졌습니다. 이 두 가지 분석 결과가 상호 보완적으로 검은 점이 석출물임을 입증합니다.

Q3: 이 합금이 탁월한 내방사선성을 보이는 근본적인 메커니즘은 무엇인가요?

A3: 속도론 모델(rate theory model)에 따르면, 이 복잡한 다원소 합금 내에서는 방사선에 의해 생성된 점결함인 원자 빈자리(vacancy)와 격자간 원자(interstitial)의 이동성(mobility)이 거의 동일해집니다. 순수 텅스텐에서는 두 결함의 이동성 차이가 커서 빠른 쪽이 먼저 뭉쳐 결함을 형성하지만, 이 합금에서는 이동성이 비슷해 서로 만나 소멸할(recombination) 확률이 극대화됩니다. 따라서 결함이 큰 군집(cluster)이나 전위 루프로 성장하기 전에 대부분 제거되어 높은 내방사선성을 보이게 됩니다.

Q4: 증착 초기 상태에서 발견된 독특한 ‘라멜라 구조'(Figure 2)는 방사선 조사 후 어떻게 되었나요?

A4: 방사선 조사 후 시편의 APT 분석 결과(Figure 5), 초기 상태에서 관찰되었던 층상(lamella-like)의 원소 분포는 더 이상 보이지 않았습니다. 대신, 원소들이 재분배되어 약 3-5 nm 크기의 준구형(quasi-spherical) Cr-V 풍부 석출물로 변형되었습니다. 이는 방사선이 원자들의 이동을 촉진하여 열역학적으로 더 안정한 상태인 구형 석출물로 구조를 변화시켰음을 의미합니다.

Q5: 이 합금의 기계적 특성은 방사선에 따라 어떻게 변하며, 이것이 왜 중요한가요?

A5: 이 합금은 “거의 무시할 수 있는 수준의 조사 경화(almost negligible irradiation hardening)” 현상을 보입니다. 이는 매우 중요한 특성입니다. 대부분의 금속 재료는 방사선을 받으면 경도가 급격히 증가하면서 매우 취약해져(embrittlement) 쉽게 파괴될 수 있습니다. 하지만 이 합금은 높은 방사선량에도 초기 경도를 거의 그대로 유지함으로써, 원자로와 같은 극한 환경에서 장기간 사용되어도 기계적 신뢰성을 잃지 않는다는 것을 의미합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

핵융합 원자로 내부와 같은 극한 환경에서 재료의 방사선 손상 문제는 기술 상용화의 가장 큰 걸림돌 중 하나였습니다. 본 연구에서 제시된 새로운 텅스텐 고엔트로피 합금은 점결함의 재결합을 극대화하는 독특한 메커니즘을 통해 기존 소재의 한계를 뛰어넘는 내방사선성을 구현했습니다. 이는 단순히 더 강한 재료를 만드는 것을 넘어, 재료가 손상되는 방식을 근본적으로 제어하는 새로운 패러다임을 제시합니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 O. El-Atwani 등의 논문 “Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-based High Entropy Alloys”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
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