Chemische Elemente mit nutzbringend hohen Neutroneneinfangquerschnitten umfassen Silber, Indium und Cadmium. Andere Kandidatenelemente sind Bor, Kobalt, Hafnium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium. Es können auch Legierungen oder Verbindungen verwendet werden, wie z. B. Hoch-Bor-Stahl, Silber-Indium-Cadmium-Legierung, Borcarbid, Zirkoniumdiborid, Titandiborid, Hafniumdiborid, Gadoliniumnitrat, Gadoliniumtitanat, Dysprosiumtitanat und Borcarbid-Europiumhexaborid-Verbundwerkstoff.
Die Materialauswahl wird durch die Neutronenenergie im Reaktor, die Beständigkeit gegen neutroneninduzierte Quellung und die geforderten mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer beeinflusst. Die Stäbe können die Form von Rohren haben, die mit neutronenabsorbierenden Pellets oder Pulver gefüllt sind. Die Rohre können aus Edelstahl oder anderen „Neutronenfenster“-Materialien wie Zirkonium, Chrom, Siliziumkarbid oder kubischem 11
B15
N (kubisches Bornitrid) bestehen.
Der Abbrand von „brennbaren Gift“-Isotopen begrenzt ebenfalls die Lebensdauer eines Steuerstabs. Sie können reduziert werden, indem man ein Element wie Hafnium verwendet, ein „nicht brennbares Gift“, das mehrere Neutronen einfängt, bevor es seine Wirksamkeit verliert, oder indem man keine Neutronenabsorber für den Abbrand verwendet. Zum Beispiel in Kugelhaufenreaktoren oder in möglichen neuartigen Lithium-7-moderierten und -gekühlten Reaktoren, die Brennstoff und Absorberkiesel verwenden.
Einige Seltene-Erden-Elemente sind ausgezeichnete Neutronenabsorber und sind weniger selten als Silber (Reserven von etwa 500.000 t). Zum Beispiel können Ytterbium (Reserven ca. 1 Mio. t) und Yttrium, das 400-mal häufiger vorkommt und mittlere Absorptionswerte aufweist, zusammen gefunden und ohne Trennung in Mineralien wie Xenotim (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, oder Keiviit (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, was die Kosten senkt. Xenon ist auch als Gas ein starker Neutronenabsorber und kann zur Steuerung und (Not-)Abschaltung von heliumgekühlten Reaktoren eingesetzt werden, funktioniert aber nicht bei Druckverlust oder als Brennschutzgas zusammen mit Argon um den Behälterteil, besonders bei kernfangenden Reaktoren oder bei Füllung mit Natrium oder Lithium. Das durch Spaltung erzeugte Xenon kann nach dem Abwarten des Ausfalls von Cäsium verwendet werden, wenn praktisch keine Radioaktivität mehr vorhanden ist. Kobalt-59 wird auch als Absorber zur Gewinnung von Kobalt-60 für die Röntgenproduktion verwendet. Steuerstäbe können auch als dicke drehbare Stäbe mit einem Wolfram-Reflektor und einer Absorberseite konstruiert werden, die durch eine Feder in weniger als 1 Sekunde zum Stillstand gebracht werden.
Silber-Indium-Cadmium-Legierungen, im Allgemeinen 80 % Ag, 15 % In und 5 % Cd, sind ein gängiges Steuerstabmaterial für Druckwasserreaktoren. Die etwas unterschiedlichen Energieabsorptionsbereiche der Materialien machen die Legierung zu einem hervorragenden Neutronenabsorber. Sie hat eine gute mechanische Festigkeit und kann leicht hergestellt werden. Es muss mit Edelstahl ummantelt werden, um Korrosion in heißem Wasser zu verhindern. Obwohl Indium weniger selten ist als Silber, ist es teurer.
Bor ist ein weiterer gängiger Neutronenabsorber. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsquerschnitte von 10B und 11B werden häufig Materialien verwendet, die Bor enthalten, das durch Isotopentrennung mit 10B angereichert wurde. Das breite Absorptionsspektrum von Bor macht es auch als Neutronenabschirmung geeignet. Die mechanischen Eigenschaften von Bor in seiner elementaren Form sind ungeeignet, so dass stattdessen Legierungen oder Verbindungen verwendet werden müssen. Gängig sind hochborhaltiger Stahl und Borkarbid. Letzteres wird als Steuerstabmaterial sowohl in DWRs als auch in SWRs eingesetzt. Die Abtrennung von 10B/11B erfolgt kommerziell mit Gaszentrifugen über BF3, kann aber auch über BH3 aus der Boranproduktion oder direkt mit einer energieoptimierten Schmelzzentrifuge erfolgen, wobei die Wärme des frisch abgetrennten Bors zum Vorheizen genutzt wird.
Hafnium hat hervorragende Eigenschaften für Reaktoren, die Wasser sowohl zur Moderation als auch zur Kühlung verwenden. Es hat eine gute mechanische Festigkeit, lässt sich leicht herstellen und ist beständig gegen Korrosion in heißem Wasser. Hafnium kann mit anderen Elementen legiert werden, z.B. mit Zinn und Sauerstoff, um die Zug- und Kriechfestigkeit zu erhöhen, mit Eisen, Chrom und Niob für Korrosionsbeständigkeit und mit Molybdän für Verschleißfestigkeit, Härte und Bearbeitbarkeit. Solche Legierungen werden als Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N, und Hafaloy-NM bezeichnet. Die hohen Kosten und die geringe Verfügbarkeit von Hafnium begrenzen seine Verwendung in zivilen Reaktoren, obwohl es in einigen Reaktoren der US Navy verwendet wird. Hafniumkarbid kann auch als unlösliches Material mit einem hohen Schmelzpunkt von 3890 °C und einer Dichte, die höher ist als die von Urandioxid, zum Versenken im ungeschmolzenen Zustand durch Corium verwendet werden.
Dysprosiumtitanat wurde für Druckwasser-Steuerstäbe evaluiert. Dysprosiumtitanat ist ein vielversprechender Ersatz für Ag-In-Cd-Legierungen, weil es einen viel höheren Schmelzpunkt hat, nicht zur Reaktion mit Hüllmaterialien neigt, leicht herzustellen ist, keinen radioaktiven Abfall produziert, nicht quillt und nicht ausgast. Es wurde in Russland entwickelt und wird von einigen für WWER- und RBMK-Reaktoren empfohlen. Ein Nachteil ist die geringere Titan- und Oxidabsorption, dass andere neutronenabsorbierende Elemente nicht mit den bereits hochschmelzenden Hüllmaterialien reagieren und dass nur die Verwendung des ungetrennten Gehalts mit Dysprosium in Mineralien wie Keiviit Yb in Chrom-, SiC- oder c11B15N-Rohren einen besseren Preis und eine bessere Absorption ohne Aufquellen und Ausgasen liefert.
Hafniumdiborid ist ein weiteres solches Material. Es kann allein oder in einer gesinterten Mischung aus Hafnium- und Borcarbidpulvern verwendet werden.
Viele andere Verbindungen der Seltenen Erden können verwendet werden, wie Samarium mit borähnlichem Europium und Samariumborid, das bereits in der Farbindustrie eingesetzt wird. Weniger absorbierende Verbindungen des Bors, die dem Titan ähneln, aber preiswerter sind, wie Molybdän als Mo2B5. Da sie alle mit Bor quellen, sind in der Praxis andere Verbindungen besser, wie Carbide usw. oder Verbindungen mit zwei oder mehr neutronenabsorbierenden Elementen zusammen. Wichtig ist, dass Wolfram, und wahrscheinlich auch andere Elemente wie Tantal, ähnlich hohe Einfangqualitäten haben wie Hafnium, aber mit umgekehrtem Effekt. Dies ist durch Neutronenreflexion allein nicht erklärbar. Eine naheliegende Erklärung ist, dass Resonanz-Gammastrahlen das Verhältnis von Spaltung und Brüten erhöhen, während sie bei metastabilen Zuständen wie beim Isotop 235mU, das eine Halbwertszeit von etwa 26 min hat, zu mehr Einfang von Uran etc. führen.
Zusätzliche Mittel zur Reaktivitätsregulierung
Andere Mittel zur Kontrolle der Reaktivität umfassen (bei DWR) einen löslichen Neutronenabsorber (Borsäure), der dem Reaktorkühlmittel zugesetzt wird und das vollständige Herausziehen der Steuerstäbe während des stationären Leistungsbetriebs ermöglicht, wodurch eine gleichmäßige Leistungs- und Flussverteilung über den gesamten Kern gewährleistet wird. Dieser chemische Shim, zusammen mit der Verwendung von brennbaren Neutronengiften innerhalb der Brennstoffpellets, wird verwendet, um die Regulierung der Langzeitreaktivität des Kerns zu unterstützen, während die Steuerstäbe für schnelle Leistungsänderungen des Reaktors (z.B. Abschalten und Anfahren) verwendet werden. Betreiber von SWRs nutzen den Kühlmitteldurchfluss durch den Kern, um die Reaktivität zu steuern, indem sie die Drehzahl der Reaktorumwälzpumpen variieren (eine Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses durch den Kern verbessert die Entfernung von Dampfblasen und erhöht somit die Dichte des Kühlmittels/Moderators, was die Leistung erhöht).