先進裂變堆用鉛鉍合金固態性能研究進展

展　冉，曾　獻，燕青芝，張曉新, *

先進裂變堆用鉛鉍合金固態性能研究進展

展冉1，曾獻2，燕青芝1，張曉新1, *

（1. 北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083；2. 中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518031）

鉛基快堆由于其長換料周期、高固有安全性、高功率密度等特點在軍事、民用領域具有巨大的應用潛力。文章從鉛鉍合金相圖、合金密度和體積變化、固態力學性能三個方面闡述了鉛鉍合金組織及性能的研究進展。文獻顯示，合金中Pb、Bi元素配比，主要溶解元素Fe、Cr、Ni，外加元素（Cd、雜質）對LBE抗拉強度、體積變化等產生不同程度影響；凝固冷速影響樣品微觀組織以及達到最大膨脹量的時間；時效和應變速率影響合金的屈服強度，并提出了鉛鉍合金需要進一步研究的主要內容。

鉛鉍合金；相圖；密度；體積；固態性能

液態鉛鉍共晶合金（Lead Bismuth Eutectic，LBE）因具有高熱導率、低熔點、高沸點、低運動粘度和低飽和蒸氣壓等特性而成為先進鉛基快堆和加速器驅動次臨界系統的冷卻劑[1-4]。意外停堆情況下，液態LBE將快速降溫，由液態轉變為固態。在液固相變和隨后的時效過程中，固態LBE合金會發生再結晶，導致體積增加；同時力學性能也有不同程度的變化。P.Agostini等人[5]研究發現，LBE在凝固后隨著時間延長具有膨脹現象，從而對管道容器產生更大應力；H.Glasbrenner等人[6]分析指出膨脹是由在高密度的富Pb金屬間化合物中析出了低密度的微固溶Bi相導致；而J.A.Patorski[7]、Y.Takeda[8]、N.Odaira[9]則結合實際工況設計工裝，利用應變片、熱電偶測量環向應變和軸向應變，直觀上展示應變隨時間的變化情況。固態LBE的力學性能研究相對較少，主要以壓縮實驗中的屈服強度為主[10, 11]。國際上雖然已有較多關于鉛鉍共晶的文獻，但多數關注液態LBE與結構材料的相容性和液態LBE氧控，而總結相變過程、體積變化情況以及不同因素對固態LBE合金力學性能的影響，對未來鉛基快堆應用具有重要意義。

本文主要介紹了鉛鉍合金中重要的相變反應、不同狀態下密度和體積的變化情況，并對影響固態LBE組織和性能的幾個因素進行總結，以期能夠為研究LBE合金凝固后的變化提供參考。

1　鉛鉍合金相圖及相關物理參數

1.1　鉛鉍相圖

1940年Hofe H.F等人[12]首次發表了有關Pb-Bi二元合金的相圖信息，后續經過Watson A. 等人[13]的修訂已較為完整，目前廣泛采用圖1（a）中的相圖，可得出以下信息：

（1）Pb的熔點約為327.5 ℃，Bi的熔點約為271.4 ℃；

（2）Pb在Bi中的固溶度為0.5%（原子分數），Bi在Pb中的固溶度為22.0%（原子分數）；

（3）187 ℃時發生L+α→β的包晶反應，包晶點成分為71.0%（原子分數）Pb，其中α為具有面心立方結構的Pb的固溶體；

（4）125.5 ℃時發生L→ γ+β的共晶反應，共晶點成分為46.0%（原子分數）Pb，其中γ為具有斜方六面體結構的Pb在Bi中的固溶體，由99.6%（質量分數）的Bi和少量的Pb組成，密度是9.75 g·cm-3；β相是一種金屬間化合物，為密排六方結構，N.Odaira[14]通過X射線衍射（XRD，X-Ray Diffraction）證實該相分子式Pb7Bi3，如圖1（b）所示，在共晶溫度時約有46.0%（原子分數）的Bi，密度值為11.17 g·cm-3；

（5）-46 ℃時發生β→α+γ的共析反應，共析點成分為72.5%（原子分數）Pb，各相成分同前所述。

圖1 鉛鉍共晶

1.2　相關物理參數

綜合目前文獻中的測試結果[1, 16-19]，鉛鉍合金的熔點、沸點和熔化潛熱的值基本可以視為常數，melt=(125.5±0.6) ℃，boil=(1 670+50) ℃，melt LBE=(8.01±0.07) kJ·mol-1=(38.5±0.3) kJ·kg-1；除此以外，Plevachu Y等人[16]研究了熱導率、密度、比熱和黏度的動態變化過程，Garkushin G. V. 等人[17]也陸續進行了驗證，并給出了擬合方程，結果可以表述為隨著溫度的升高，液態LBE的熱導率呈上升趨勢，密度、比熱C、粘度則隨著溫度的升高而變小，上述文獻的數值變化如表1所示。

表1　物理參數隨溫度的變化關系

2　鉛鉍合金的密度和體積

工程實踐中，密度用于測量單位體積原子的濃度以及裝置的水力參數，也用于基本物理性質的測量與計算，例如黏度、表面張力、熱擴散等。對鉛鉍合金，密度除了與體積變化直接相關外，還會影響到金屬對流和成分的均勻化程度。

2.1　密度的測量和計算方法

研究人員在通過實驗獲得密度的過程中，逐漸發展出了不同的測量方法。對于液態LBE而言，測試相對容易，Alchagirov B.B.等人[20, 21]和Greeneway H.T、Been S.A.等人[22]使用間接的試驗方法。前者采用雙毛細管比重瓶，利用絡合滴定方法和電交換過程測量密度對溫度的依賴關系（），后者使用最大氣泡壓力法，將兩根尖端相同的管子浸入液體中且浸入深度不同，則兩管最大氣泡壓力的差異僅取決于液體的密度和浸入管中的深度，結合公式（1），間接得到液態LBE的密度。Khairulin R.A.等人[23]則采用γ射線衰減技術直接測量出鉛鉍共晶液固轉變過程中的密度變化情況，選用137Cs作為γ射線源，在單相區域以2～3 ℃·min-1的加熱-冷卻速率進行，最后利用阿基米德原理測定出室溫樣品平均密度值為10.656 g·cm-3，且誤差不超過0.03%。

對固態LBE而言，由于相變導致密度變化并發生膨脹，進而造成停堆事故，因此其密度變化情況的準確測量對于定量分析膨脹過程，以及后續反應堆參數設計具有重要意義。最先進行嘗試的是Takeda Y.等人[8]，在玻璃容器中放置矩形LBE樣，并填充硅油，在容器頂部用一根口徑2.8 mm，精度10 μL玻璃毛細管測量硅油高度，之后將玻璃容器放入恒溫浴中，保溫1個月，按照規定的時間間隔拍攝毛細管中的油位并記錄溫度，進而得到不同溫度下的體積變化。2020年，daira N.O.等人[14]用類似的方法，結合阿基米德原理測試不同冷速試樣室溫的密度變化情況，同樣將制備好的樣品稱重后浸在硅油中，在一定的時間間隔內進行密度測量，測試結果如圖2（a）清晰展現了密度隨凝固后的時間延長而下降，后又在密度的基礎上利用公式（2）、公式（3），求得β相質量含量的變化情況，如圖2（b）所示，進一步證明膨脹是由于γ-Bi相析出導致。

2.2　不同狀態下的密度和體積

2.2.1熔融狀態時的密度和體積

目前，國際上已經公布了一些關于熔點以上的液態LBE密度值，包括IAEA原子能機構[24]根據Pb和Bi的密度和質量分數的可加性定律所得到，在450 ℃時液態LBE的密度值為10.15 g·cm-3；Y.Plevachuk等人[16, 25]通過測試近熔點約400 ℃范圍內LBE密度發現，密度值從10.1 g·cm-3下降到9.8 g·cm-3；V.Sobolev等人[26]綜合近熔點約1 000 ℃的密度變化，發現合金密度從10.5 g·cm-3下降至9.4 g·cm-3；鉛鉍共晶合金手冊[27]中給出了常壓下純熔融Pb、純熔融Bi和LBE合金的密度與溫度線性關系曲線，如圖3所示。

圖2　冷速對密度和β相含量的影響

圖3　熔融狀態下Pb、Bi、LBE合金密度隨溫度的變化[27]

2.2.2近熔點處的密度和體積

事故情況下緊急停堆時，合金冷卻劑從液態轉變為固態，該狀態轉變過程的體積變化同樣對反應堆設計提供重要數據。C.Fazio等人[27]、R.N.Lyon[28]給出工業條件下Pb熔化時體積增加分別為3.6%、1.64%；IAEA[24]中指出Bi作為冷卻劑時其體積收縮約為3.3%。因此綜合Pb體積增加和Bi體積減少來看，V.Sobolev[21]、R.N.Lyon[28]都推薦在接近準平衡的條件下，固態LBE合金熔化時可以忽略其體積變化。但是實際工況下，LBE合金凝固和熔化過程中伴隨著急劇的溫度變化，基本不可能實現準平衡條件，液固轉變過程中LBE的體積情況仍需研究。在近熔點處，V.Sobolev、Y.Plevachuk、B.B.Alchagirov 和K.Morita等人給出的密度值分別為10.50 g·cm-3[21]、10.08 g·cm-3[25]、10.529 g·cm-3[29]、10.529 g·cm-3[30]。W.Hofmann[26]、R.N.Lyon[28]、報告指出凝固時LBE合金的體積收縮分別為 1.52%和 1.43%，其他近熔點處的實驗研究如Y.Takeda[8]報告中所言，很難在熔化后立即進行測試，目前多停留在密度值上，而近熔點處體積變化由于變化時間短，且小樣品尺寸變化微小難以實現高精度觀察，因此該階段測量體積變化的試驗工裝還需要不斷嘗試。

2.2.3結晶過程的密度和體積

當溫度從125 ℃冷卻至25 ℃時，LBE合金快速凝固得到非平衡相，受自由能驅動，隨著時間的推移會發生擴散型相變。Bi原子通過β/γ界面向γ相擴散，β/γ相界會隨著擴散過程的進行而向β相移動，部分β相中析出γ相，導致γ相增多，如1.1節所述，高密度β相轉變為低密度γ相，必然需要更多的空間，從而導致LBE室溫時效后出現體積膨脹的現象。這與徐敬堯[15]、H.Glasbrenner[6]等人的研究結果符合。

本節從熔融態、近熔點處、結晶過程三個階段探討了密度和體積隨溫度的變化關系以及目前常用的測量手段，可以看出LBE合金凝固過程體積收縮，凝固后則由于相變因素導致體積膨脹。值得注意的是，Y.Takeda等人[8]報告中提到凝固初期可能有較大的體積變化，但很難在凝固后立即開始測量，因此針對初期的變化值仍需要設計合理的實驗方案。

3　影響固態LBE合金組織和性能的主要因素

3.1　成分組成

LBE合金在制備和服役過程中，成分的波動主要有以下三種情況[31-33]：

（1）LBE本身在熔鑄過程中進行成分調整，如Bi含量的改變；

（2）服役時，結構材料受液態鉛鉍腐蝕而引入的Fe、Cr、Ni、Al雜質；

（3）為改進性能特意外加的元素或需控制的元素，如Cd、O等。

鉛基快堆選擇LBE作為冷卻劑的主要原因在于其較低的熔點，但合金本身的膨脹問題同樣對各部分結構件產生威脅，若通過適當調整合金成分，在保證熔點不過高的前提下，結合相圖從根源上抑制γ-Bi相的析出，找到熔點和膨脹之間的平衡，便可有效緩解膨脹壓力，關于此設計后續仍有待實驗驗證，但不同成分的鉛鉍合金已有部分數據。早在1930年左右，J.G.Thompson[34]便對Bi含量0～51.8%（質量分數）的固態LBE進行棒狀拉伸實驗，結果發現抗拉強度隨Bi含量增加而增大，在45%Bi左右達到最大約為45.8 MPa，延伸率先降低后升高，硬度隨著Bi含量的增加而增加了20%。后來徐敬堯等人[33]設計了LBE、Pb60Bi40、Pb70Bi30、Pb80Bi20［單位：%（質量分數）］四種不同成分的LBE和純Pb樣品，利用自加熱型探針法研究從各自熔點溫度～600 ℃的體積變化，發現幾種不同Bi含量的樣品體積增長速率和LBE合金中的Bi含量成反比。由此可見，Bi含量對力學性能和體積變化均產生影響，但無論是對LBE基本性能的全面表征還是成分設計仍有很多可研究的空間，應進一步積累數據，以完善鉛鉍數據庫。除了自身成分外，LBE對結構材料的腐蝕是鉛合金冷卻劑在核應用方面的一個關鍵障礙，結構材料的溶解速率在一定程度上對LBE中相關化學反應起到驅動作用，因此主要元素Fe、Cr、Ni與LBE的相容性研究尤為重要，目前關于Fe-Cr-Ni-Pb-Bi的五元相圖尚未建立，更多的研究是在二元相圖的基礎上借助Calphad（Calculation of Phase Diagram）軟件進行合理外推。S.Gosse[35]便是利用該方法得到三種主要元素在LBE中的溶解度關系式，溶解能力由大到小依次為Ni＞Cr＞Fe。K.Kikuchi等人[32]對鉛鉍第一回路的不同部分取樣觀察，發現管內凝固的LBE樣品表面出現針狀組織，經掃描電鏡分析為富Ni沉淀，后又借助原子發射光譜儀得到350 ℃、400 ℃、450 ℃下Fe、Cr、Ni在LBE中的飽和溶解度并繪制曲線，如圖4所示，結果與S.Gosse[35]結論一致。關于其他元素，T.Z.Amer等人[36]研究發現Cd的添加［0、10%（質量分數）、20%（質量分數）、30%（質量分數）］能使LBE合金的熔點降低至91℃左右，且提高合金的總熱容，優化LBE熱物性能；LBE合金高溫易氧化，雖然目前已經提出了較好的控氧提純工藝[37-40]，但是液態氧濃度對于固態性能是否產生影響以及是否對包殼材料提出新的要求仍具有極大的研究空間和探討意義。

圖4　Fe、Cr、Ni在LBE中的溶解度隨溫度的變化關系[32]

3.2　凝固冷速

H. Glasbrenner[6]在研究固態鉛鉍共晶合金膨脹現象時，以慢冷（0.1 ℃·min-1）和快冷（空冷）兩種冷速制備了固態LBE樣品，兩種冷速得到的微觀組織均呈魚骨狀，由富鉍的γ相和金屬間化合物β相組成，快冷條件下原子來不及充分擴散長大，因此得到的組織更細小均勻，并表現出宏觀偏析特征；而慢冷條件下得到的顯微組織則比較粗糙。N.Odaira等人[14]利用金相照片和圖像分析軟件NIS-Elements得到γ-Bi相尺寸的正態分布，將γ-Bi視為矩形后借助兩相像素差異得到不同冷速下的相尺寸，進而繪制晶粒尺寸隨冷卻速率變化的曲線并進行擬合，結果如圖5所示，冷速越快，晶粒尺寸越小。冷卻速度除了作用于組織外，對固態LBE膨脹時的膨脹速率同樣有影響。S.Saito[9]制備了304型不銹鋼杯，其內徑=36 mm，壁厚為1 mm，高度l=90 mm，杯內裝滿液態LBE，通過有限元模擬得到軸向應變片和環向應變片在杯壁的安裝位置和高度，測量以不同冷速（1.4 K·min-1、1/2 K·min-1、1/8 K·min-1）凝固的固態LBE的應變值，結果表明，雖然環向應變和軸向應變數量上相差近500，但不同冷速樣品的最大環向應變值和最大軸向應變值基本相等，分別約為700、200，達到最大應變值的時間卻不同，冷速越快，達到最大應變的時間越短。

圖5　γ-Bi相晶粒尺寸與冷卻速度的線性相關性[9]

3.3　時效時間、溫度

鉛鉍合金凝固后體積隨時效時間、溫度發生不同程度的變化，而體積變化的大小將關系到堆內結構設計等問題，因此時效對合金體積、性能的影響對反應堆具有重要指導意義。Glasbrenner H. 等人[6]研究了時效時間對體積變化的影響并給出室溫時效曲線，表明在100 h時效后樣品恢復原尺寸，時效1年后，試樣體積膨脹約0.35%；徐敬堯、Fazio C.等人[15, 27]也發表相關文章，經室溫時效4 320 h后，LBE體積比未變化，數量增多的γ相呈較粗的條狀或粒狀分布在β相基體中，較小的球狀β由于原子的近程如圖6（a）、圖6（b）所示，鑄態條件下白色γ相與擴散轉變為較小的粒狀。黑色β相呈片狀交替分布，時效后時效時膨脹約1.1%，時效后的顯微組織與鑄態相比發生明顯變化，如圖6（a）、（b）所示，鑄態條件下白色γ相與黑色β相呈片狀交替分布，時效后，數量增多的γ相呈較粗的條狀或粒狀分布在β相基體中，較小的球狀β由于原子的近程擴散轉變為較小的粒狀。

時效溫度對鉛鉍共晶合金的影響體現在兩方面。一方面時效影響LBE力學性能，Zucchini A. 等人[10]測量了LBE樣品在90 ℃和110 ℃時效3個月的樣品與近鑄態樣品（5 h）的屈服強度，發現90 ℃時效后屈服強度從5.2 MPa升高至6.1 MPa，110℃時效后屈服強度從3.0 MPa升高至3.3 MPa，均增加10%以上。另一方面，時效溫度也會影響LBE膨脹量，Patorski J.A.等人[7]的報告中設計了與Saito S.等人[2]類似的應變片測量應變的裝置，外形上參考Zucchini A.[10]以及鉛鉍共晶手冊[27]中提及的歐洲MEGAPIE計劃，工裝設計時添加金屬插入物，以模擬內部LBE冷卻劑和主流導管、旁路導流管、加熱器等部件直接接觸時所帶來的幾何約束，此結構在設計上顯然更加合理并貼近實際工況，利用此設計模擬得到100 ℃、75 ℃、50 ℃下的應變情況，其中最低溫度50 ℃時具有最大應變，該最大應變位于LBE容器的較低位置，隨著溫度升高，應變急劇下降。除此以外，結合其他相關的時效文章[41-43]還可以得出：當時效存在析出相時，其組成大多是基體成分或者是其他含量高的元素之間按照不同配比組合而成；在析出位置方面多先在晶界析出，而后才在晶粒內部析出，同時隨時效時間增長還伴隨著偏析現象。

3.4　應變速率

固態LBE的力學實驗主要集中在壓縮方面，選擇壓縮主要出于兩點考慮：首先是共晶凝固后的膨脹過程，無論是對冷卻劑容器的外壁還是內部堆芯包殼都存在擠壓，反之則是LBE受結構件的壓縮，因此壓縮實驗更能體現出真實受力狀況；其次，對比拉伸實驗，LBE合金獨特的“軟”特性，使得壓縮實驗更容易進行，但是值得注意的是，單從表征角度，壓縮實驗的摩擦會帶來一定誤差，拉伸實驗的數據更具有代表性。A.Zucchini等人[10]進行了LBE合金的壓縮實驗，發現應變速率對屈服強度具有顯著影響，應變速率從5×10-6s-1增大到1×10-4s-1過程中，屈服強度增加約5 MPa。之后，Dai Y.等人[11]則進行了更加完備系統的壓縮實驗，研究了LBE在10-3～10-6s-1應變速率范圍內和20～112 ℃溫度范圍內的力學性能，研究結果表明，屈服強度很大程度上取決于應變速率和溫度。如圖7所示，在恒定應變速率下，屈服應力可以用溫度的二階多項式來擬合；在恒定溫度下，屈服應力與應變率的對數成線性關系。有了這些結論，在實驗溫度和應變率范圍內的任意溫度和應變率下，屈服應力都可以進一步估算出來。

本節從成分組成、凝固冷速、時效時間和溫度以及應變速率四個方面綜述其對力學性能的影響，文獻結果表明，合金中Pb、Bi的元素配比，主要溶解元素Fe、Cr、Ni，外加元素（Cd、雜質）對LBE的抗拉強度、體積變化、熱物性等產生不同程度影響；凝固冷速影響樣品微觀組織以及達到最大應變量的時間；時效和應變速率影響到合金屈服強度。

4　總結與展望

以LBE作為冷卻劑的反應堆是新一代核能系統中具有發展前景的先進堆型之一，已成為國內外研究的熱點。雖然關于液態LBE已經有部分研究，但是相應的固態LBE數據庫仍然匱乏，本文從鉛鉍相圖、不同狀態下的密度和體積隨溫度的變化、影響固態LBE組織和性能的主要因素三個方面綜述了國內外發展概況，為鉛基快堆走向商業化積累了數據。

綜合來看，以下幾個方面仍需要重點研究：

（1）鉛鉍合金本身性能（力學、熱物性）在不同溫度下的系統表征；

（2）鉛鉍合金膨脹量和膨脹速率對溫度的依賴性及如何準確量化膨脹值，并根據膨脹應力進一步外推出包殼、其他構件的承受力，從而為反應堆其他材料選擇提出新要求；

（3）鉛鉍合金成分的優化，在保證優異性能的基礎上減少膨脹效應，以及因腐蝕導致鋼中主要元素溶解在合金中，對合金性能和體積變化的影響。

上述的幾點研究主要是對鉛鉍合金數據庫的補充，在實際工況條件下衍生出的其他工程問題，例如根據LBE特性進行相關構件設計等仍需要不斷進行實驗研究，以期為未來反應堆的參數積累一定數據。

［1］ Sobolev V．，Schuurmans P．Thermophysical Properties of Liquid Metal Coolants：Na，Pb，Pb-Bi（e）［J］．Comprehensive Nuclear Materials，2020，7（2）：458-480．

［2］ Kondo M．，Okubo N．，Irisawa E．，et al．Oxidation characteristics of lead-alloy coolants in air ingress accident［J］．Energy Procedia，2017，131：386-394．

［3］ 韓金盛，劉濱，李文強．鉛冷堆研究概述［J］．核科學與技術，2018，6（3）：87-97．

［4］ 吳宜燦，王明煌，黃群英，等．鉛基反應堆研究現狀與發展前景［J］．核科學與工程，2015，35（2）：213-221．

［5］ Agostini P．，Baicchi E．，Zucchini A．The re-crystallization issue in lead-biamuth technology［J］．Journal of Nuclare Materials，2004，335：275-279．

［6］ Glasbrenner H．，Groschel F．，Grimmer H．Expansion of solidified lead bismuth eutectic［J］．Journal of Nuclear Materials，2005，343：341-348．

［7］ Patorski J．A．，Groschel F．，Holen G．，et al．Influence of the freezing of Lead-Bismuth eutectic on the strain distribution in a model container［R］．Switzerland：Paul Scherrer Institute，2002．

［8］ Takeda Y．，Barbagallo F．Volume change of LBE after solidification［R］．Switzerland：Paul Scherrer Institute，2002．

［9］ Odaira N．，Saito S．Characterization of mechanical strain induced by lead-bismuth eutectic（LBE）freezing in stainless steel cup［J］．Heliyon，2020，6（2）：e03429．

［10］ Zucchini，P．Agostini，E．Baicchi．Lead-bismuth eutectic recrystallization studies for the Megapie target［J］．Journal of Nuclear Materials，2005，336（2-3）：291-298．

［11］ Dai Y．，Barbagallo F．，Groeschel F．Compression properties of Lead-Bismuth［J］．Journal of Nuclear Materials，2003，317（2-3）：252-255．

［12］ Hofe H．F．，Hanemann H．Information on Lead-Bismuth and Lead-Antimony-Bismuth Systems［J］．Z．Metallkunde，1940，32：112-117．

［13］ Watson A．，Wagner S．，Lysova E．，et al．Bi-Pb Binary Phase Diagram Evaluation［J］．Materials Science International Services，2002．

［14］ Odaira N．，Fujiwara T．，Arita Y．Behavior of Lead- Bismuth eutectic（LBE）expansion caused by phase transition in response to heat treatment［J］．Nuclear Engineering and Design．2020，365：110714．

［15］徐敬堯，王龍，徐剛，等．鉛鉍合金熱膨脹性能及室溫時效研究［J］．核科學與工程，2014，34（4）：494-499．

［16］ Plevachuk Y．，Sklyarchuk V．，Eckert S．，et al．Some physical date of the near eutectic liquid lead-bismuth［J］．Journal of Nuclear Materials，2008，373：335-342．

［17］Garkushin G．V．，Savinykh A．S．，Kanel G．I．，et al．Dynamic Strength of a Eutectic Bismuth-Lead Alloy in the Solid and Liquid States［J］．Solids and Liquids，2019，128（2）：268-273．

［18］ Sobolev V．Thermophysical properties of lead and lead-bismuth eutectic［J］．Journal of Nuclear Materials，2007，362：235-247．

［19］ Liang W．，Yaoli Z．，Rui H．，et al．Measurement and analysis of specific heat capacity of lead-bismuth eutectic［J］．Progress in Nuclear Energy，2020，123：103284．

［20］Alchagirov B．B．，Chochaeva A．M．Temperature Dependence of the Density of Liquid Tin［J］．Thermophysical Properties of Materials，2000，38（1）：48-52．

［21］ Sobolev V．Database of thermophysical properties of liquid metal coolants for GEN-IV［R］．Belgium：Belgian Nuclear Research Centre，2010．

［22］ Been S．A．，Edwards H．S．，Teete C．E．，et al．The densities of lead，bismuth，lead-bismuth eutectic，and lithium in the range melting point to 1 000 ℃（1 832 ℃）［R］．United States：Fairchild Engine and Airplane Corporation，1950．

［23］ Khairulina R．A．，Lyapunov K．M．，Mozgovoi A．G．，et al．Crystallization and relaxation phenomena in the bismuth–lead Eutectic［J］．Journal of Alloys and Compounds，2005，387：183-186．

［24］ IAEA．Liquid Metal Coolants for Fast Reactors（Reactors Cooled by Sodium，Lead and Lead-bismuth Eutectic）［M］．International Atomic Energy Agency，2012

［25］ Plevachuk Y．，Sklyarchuk V．，Gerbeth G．，et al．Novakovic．Surface tension and density of liquid Bi-Pb，Bi-Sn and Bi-Pb-Sn eutectic alloys［J］．Surface Science，2011，605（11-12）：1034-1042．

［26］ Hofmann W．Lead and Lead Alloys［M］//戎利建．鉛與鉛鉍共晶合金手冊．北京：科學出版社，2013：15-17．

［27］Fazio C．，Sobolev V．P．，Aerts A．，et al．Handbook on lead-bismuth eutectic alloy and lead properties，materials compatibility，thermal-hydraulics and technologies-2015 edition［R］．France：Organisation for Economic Co-Operation and Development，2015．

［28］Lyon R．N．Liquid matals Handbook［M］//戎利建．鉛與鉛鉍共晶合金手冊．北京：科學出版社，2013：15-17．

［29］ Alchagirov B．B．，Shamparov T．M．，Mozgovoi A．G．Experimental investigation of the density of molten lead-bismuth eutectic［J］．Thermophysical Properties of Materials，2003，41（2）：247-253．

［30］ Morita K．，Maschek W．，Michael F．，et al．Thermophysical Properties of Lead-Bismuth Eutectic Alloy in Reactor Safety Analyses［J］．Journal of Nuclear Science and Technology，2006．43（5）：526-536．

［31］ Serre P．，Vogt J．B．Liquid metal embrittlement sensitivity of the T91 steel in lead，in bismuth and in lead-bismuth eutectic［J］．Journal of Nuclear Materials，2020，531：152021．

［32］ Kikuchi K．，Saito S．，Hamaguchi D．，et al．Ni-rich precipitates in a lead bismuth eutectic loop［J］．Journal of Nuclear Materials，2010，398：104-108．

［33］徐敬堯．先進核反應堆用鉛鉍合金性能及純凈化技術研究［D］．安徽：中國科學技術大學，2013．

［34］ Thompson J．G．Properties of lead-bismuth，lead-tin，type matal，and fusible alloys［J］．Bureau of Standards Journal of Research，1930，5（5）：1085-1107．

［35］Gosse．S．Thermodynamic assessment of solubility and activity of iron，chromium，and nickel in lead bismuth eutectic［J］．Journal of Nuclear Materials，2014，449：122-131．

［36］ Amer T．Z．，Saleh S．E．，Shazly R．M．，et al．Study of the physical and nuclear properties of liquid PbBiCd alloy coolant in nuclear fast reactor［J］．Journal of Nuclear Materials，2019，522：226-235．

［37］楊紅義，周培德，張金山，等．鉛鉍冷卻反應堆技術研發進展［G］．中國原子能科學研究院年報，2019：29-30．

［38］趙云淦．鉛鉍合金的固態氧控研究［D］．北京：華北電力大學，2019．

［39］ Yungan Z．，Fenglei N．，Anxia Y．A new method of controlling dissolved oxygen in liquid lead-bismuth eutectic systems by electrochemical oxygen pumping［J］．Academic Journal of Engineering and Technology Science，2019，v2（1），21-28．

［40］趙熹，曾獻，張勇，等．ODS鋼液態重金屬環境腐蝕研究進展［J］．機械工程學報，2020：1-10．

［41］ Dumitraschkewitz P．，Uggowitzer J．，Gerstal S．A．，et al．Size-dependent diffusion controls natural aging in aluminium alloys［J］．Nature Communication，2019，10（1）：1-6．

［42］ Lingzhi C．，Man W．，Qi W．，et al．Microstructure and mechanical property evolution of an AFA alloy with simple composition design during aging at 700℃［J］．Materials Science & Engineering A，2020：139157．

［43］ Hongtao Z．，Yanbin J．，Jianxin X．，et al．Precipitation behavior，microstructure and properties of aged Cu-1．7 wt．%Be alloy［J］．Journal of Alloys and Compounds，2019，773：1121-1130．

Study Progress on Properties of Solid Lead Bismuth Alloys for Advanced Fission Reactor

ZHAN Ran1，ZENG Xian2，YAN Qingzhi1，ZHANG Xiaoxin1, *

（1. School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100084，China；2. China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov.518026，China）

Thelead-cooled reactor has great potential in military and civil applications because of the long refueling cycle, high inherent safety and high power density, etc. In this paper, the study progress of microstructure and properties of lead bismuth alloy is reviewed from phase diagram, volume variation, and alloy density as well as solid mechanical properties. As we can see, the mechanical properties and the volume change of LBE were influenced by the ratio of Pb and Bi, the main dissolved elements Fe, Cr, Ni, and the additional elements (Cd, impurities). The microstructure of samples and the time to study the maximum strain were affected by the solidification cooling rate. Further, the aging and strain rate had impact on the yield strength. Then the main research contents of LBE were put forward.

Lead bismuth alloy; Phase diagram; Density; Volume; Solid properties

TL343

A

0258-0918（2022）02-0288-09

2021-04-07

國家自然科學基金（U1932166）項目資助

展冉（1996—），女，山東濰坊人，碩士研究生，現主要從事先進裂變堆用冷卻劑方面研究

張曉新，E-mail：b2077914@ustb.edu.cn