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鉛ビスマス共晶合金（LBE）は、鉛（44.5 at%）とビスマス（55.5 at%）の共晶合金で、一部の原子炉の冷却材として使用され、第4世代原子炉構想の一部である鉛冷却高速炉の冷却材として提案されています。融点は123.5 °C/254.3 °F（純鉛の融点は327 °C/621 °F、純ビスマスの融点は271 °C/520 °F）、沸点は1,670 °C/3,038 °Fです。[ 1 ] [ 2 ]
ビスマス含有量が30%から75%の鉛ビスマス合金はすべて、融点が200 ℃/392 °F未満です。ビスマス含有量が48%から63%の合金は、融点が150 ℃/302 °F未満です。 [ 3 ] 鉛は融解時にわずかに膨張し、ビスマスは融解時にわずかに収縮しますが、LBEは融解時に体積変化がほとんどありません。
ソ連のアルファ級潜水艦は、冷戦中ずっと原子炉の冷却材としてLBEを使用していた。[ 4 ]
OKB Gidropress （ VVER型軽水炉のロシアの開発会社）はLBE原子炉に関する専門知識を有している。SVBR-75/100はこの種の最新設計であり、この技術に関するロシアの豊富な経験の一例である。[ 5 ]
ロスアラモス国立研究所と関係のある米国企業Gen4 Energy (旧Hyperion Power Generation ) は、 2008 年に、商業発電、地域暖房、海水淡水化のために、鉛ビスマス共晶で冷却される窒化ウラン燃料の小型モジュール式原子炉を設計および展開する計画を発表した。提案された原子炉は Gen4 モジュールと呼ばれ、密閉型モジュール式で、工場で組み立てて設置場所に輸送し、燃料交換のために工場に輸送される 70 MWth の原子炉として計画されていた。Gen4 Energy は 2018 年に操業を停止した。[ 6 ]
液体ナトリウムやNaKなどのナトリウム系液体金属冷却材と比較して、鉛系冷却材は沸点が著しく高いため、原子炉をはるかに高い温度で冷却材の沸騰リスクなしに運転できる。これにより熱効率が向上し、熱化学プロセスによる水素製造が可能になる可能性がある。
鉛やLBEは、水や空気と容易に反応しない。一方、ナトリウムやNaKは空気中で自然発火し、水と爆発的に反応する。このため、鉛またはLBE冷却炉は、ナトリウム冷却炉とは異なり、中間冷却ループを必要としない。これは、発電所の建設に必要な設備投資を削減できることを意味する。
鉛とビスマスはどちらも優れた放射線遮蔽材であり、ガンマ線を吸収する一方で、中性子に対してはほぼ透明である。一方、ナトリウムは強い中性子照射を受けると強力なガンマ線放出核種であるナトリウム24（半減期15時間）を生成するため、一次冷却ループには大きな放射線遮蔽材が必要となる。
鉛やビスマスは重い原子核であるため、廃棄物の加速器変換（エネルギー増幅器を参照）のように、核分裂を伴わない中性子生成のための核破砕ターゲットとして使用できます。
鉛系冷却材とナトリウム系冷却材はどちらも、水に比べて沸点が比較的高いという利点があり、高温時でも原子炉を加圧する必要がありません。これにより、冷却材喪失事故（LOCA）の発生確率が低減され、受動安全設計が可能になるため、安全性が向上します。また、温度差が大きいほど熱力学サイクル（カルノーサイクル）の効率も向上します。高温の欠点としては、温度上昇に伴う液体LBEへの溶解度の増加（アマルガムの形成）と液体金属脆化により、LBE中の金属構造部品の腐食速度が速くなることが挙げられます。
鉛およびLBE冷却材はナトリウムよりも鋼材に対する腐食性が高いため、安全上の理由から原子炉内の冷却材流量には上限が設けられます。さらに、鉛とLBEの融点（それぞれ327 ℃と123.5℃ ）が高いため、原子炉を低温で運転する場合、冷却材の凝固がより深刻な問題となる可能性があります。
最後に、中性子照射 により、LBE冷却材中に存在するビスマスの主同位体であるビスマス209は、中性子捕獲とそれに続くベータ崩壊を起こし、強力なアルファ線放出体であるポロニウム210を生成します。冷却材中に放射性ポロニウムが存在すると、原子炉の燃料交換時やLBEと接触する部品の取り扱い時にアルファ線汚染を制御するための特別な予防措置が必要になります。 [ 7 ]