Elementi chimici con sezioni trasversali di cattura dei neutroni utilmente elevate includono argento, indio e cadmio. Altri elementi candidati includono boro, cobalto, afnio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, olmio, erbio, tulio, itterbio e lutezio. Possono essere utilizzate anche leghe o composti, come l’acciaio ad alto contenuto di boro, la lega argento-indio-cadmio, il carburo di boro, il diboruro di zirconio, il diboruro di titanio, il diboruro di afnio, il nitrato di gadolinio, il titanato di gadolinio, il titanato di disprosio e il composito carburo di boro-esaboruro di europio.
La scelta del materiale è influenzata dall’energia dei neutroni nel reattore, dalla loro resistenza al rigonfiamento indotto dai neutroni e dalle proprietà meccaniche e di durata richieste. Le barre possono avere la forma di tubi riempiti con pellet o polvere che assorbono i neutroni. I tubi possono essere fatti di acciaio inossidabile o di altri materiali “finestra neutronica” come lo zirconio, il cromo, il carburo di silicio, o il cubico 11
B15
N (nitruro di boro cubico).
Anche il burnup degli isotopi “veleno bruciabile” limita la durata di una barra di controllo. Essi possono essere ridotti utilizzando un elemento come l’afnio, un “veleno non bruciabile” che cattura più neutroni prima di perdere efficacia, o non utilizzando assorbitori di neutroni per il trimming. Per esempio, nei reattori a letto di ciottoli o in possibili reattori di nuovo tipo moderati e raffreddati al litio-7 che usano combustibile e ciottoli assorbitori.
Alcuni elementi delle terre rare sono eccellenti assorbitori di neutroni e sono meno rari dell’argento (riserve di circa 500.000t). Per esempio, l’itterbio (riserve di circa 1 M tonnellate) e l’ittrio, 400 volte più comune, con valori medi di cattura, possono essere trovati e usati insieme senza separazione all’interno di minerali come lo xenotime (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, o la keiviite (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, abbassando il costo. Lo xeno è anche un forte assorbitore di neutroni come gas, e può essere usato per il controllo e l’arresto (di emergenza) dei reattori raffreddati ad elio, ma non funziona in caso di perdita di pressione, o come gas di protezione dalla combustione insieme all’argon intorno alla parte del recipiente, specialmente in caso di reattori che catturano il nucleo o se riempiti di sodio o litio. Lo xeno prodotto dalla fissione può essere usato dopo aver aspettato che il cesio precipiti, quando non c’è praticamente più radioattività. Il cobalto-59 è anche usato come assorbitore per vincere il cobalto-60 per la produzione di raggi X. Le aste di controllo possono anche essere costruite come spesse aste girevoli con un riflettore di tungsteno e un lato assorbitore girato per fermarsi da una molla in meno di 1 secondo.
Le leghe argento-indio-cadmio, generalmente 80% Ag, 15% In, e 5% Cd, sono un materiale comune per le aste di controllo dei reattori ad acqua pressurizzata. Le regioni di assorbimento di energia un po’ diverse dei materiali rendono la lega un eccellente assorbitore di neutroni. Ha una buona resistenza meccanica e può essere fabbricata facilmente. Deve essere incapsulato in acciaio inossidabile per prevenire la corrosione in acqua calda. Anche se l’indio è meno raro dell’argento, è più costoso.
Il boro è un altro comune assorbitore di neutroni. A causa delle diverse sezioni d’urto del 10B e dell’11B, sono spesso usati materiali contenenti boro arricchito in 10B per separazione isotopica. L’ampio spettro di assorbimento del boro lo rende adatto anche come scudo neutronico. Le proprietà meccaniche del boro nella sua forma elementare non sono adatte, e quindi si devono usare invece leghe o composti. Scelte comuni sono l’acciaio ad alto contenuto di boro e il carburo di boro. Quest’ultimo è usato come materiale per le barre di controllo sia nei PWR che nei BWR. La separazione 10B/11B è fatta commercialmente con centrifughe a gas su BF3, ma può anche essere fatta su BH3 dalla produzione di borano o direttamente con una centrifuga di fusione ad energia ottimizzata, usando il calore del boro appena separato per il preriscaldamento.
L’afnio ha proprietà eccellenti per i reattori che usano acqua sia per la moderazione che per il raffreddamento. Ha una buona forza meccanica, può essere fabbricato facilmente ed è resistente alla corrosione in acqua calda. L’afnio può essere legato con altri elementi, per esempio con stagno e ossigeno per aumentare la resistenza alla trazione e allo scorrimento, con ferro, cromo e niobio per la resistenza alla corrosione, e con molibdeno per la resistenza all’usura, la durezza e la lavorabilità. Tali leghe sono designate come Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N e Hafaloy-NM. L’alto costo e la bassa disponibilità dell’afnio ne limitano l’uso nei reattori civili, anche se è usato in alcuni reattori della marina statunitense. Il carburo di afnio può anche essere usato come materiale insolubile con un alto punto di fusione di 3890 °C e una densità superiore a quella del biossido di uranio per affondare, non fuso, attraverso il corium.
Il titanato di disprosio era in fase di valutazione per barre di controllo ad acqua pressurizzata. Il titanato di disprosio è un sostituto promettente delle leghe Ag-In-Cd perché ha un punto di fusione molto più alto, non tende a reagire con i materiali di rivestimento, è facile da produrre, non produce rifiuti radioattivi, non si gonfia e non emette gas. È stato sviluppato in Russia ed è raccomandato da alcuni per i reattori VVER e RBMK. Uno svantaggio è il minore assorbimento di titanio e ossido, che altri elementi che assorbono i neutroni non reagiscono con i materiali di rivestimento già ad alto punto di fusione e che il solo utilizzo del contenuto non separato con disprosio all’interno di minerali come Keiviit Yb all’interno di tubi di cromo, SiC o c11B15N fornisce un prezzo e un assorbimento superiori senza gonfiore e degassamento.
Il diboruro di afnio è un altro di questi materiali. Può essere usato da solo o in una miscela sinterizzata di polveri di afnio e carburo di boro.
Molti altri composti di elementi delle terre rare possono essere usati, come il samario con europio simile al boro e il boruro di samario, che è già usato nell’industria dei colori. Composti meno assorbenti del boro simili al titanio, ma poco costosi, come il molibdeno come Mo2B5. Poiché tutti si gonfiano con il boro, in pratica sono meglio altri composti, come i carburi, ecc. o composti con due o più elementi assorbenti di neutroni insieme. È importante che il tungsteno, e probabilmente anche altri elementi come il tantalio, abbiano le stesse alte qualità di cattura dell’afnio, ma con l’effetto opposto. Questo non è spiegabile con la sola riflessione dei neutroni. Una spiegazione ovvia è che i raggi gamma di risonanza aumentano il rapporto tra fissione e riproduzione rispetto a quello che causa una maggiore cattura di uranio, ecc. in condizioni metastabili come per l’isotopo 235mU, che ha un tempo di dimezzamento di circa 26 minuti.
Altri mezzi di regolazione della reattività
Altri mezzi di controllo della reattività includono (per i PWR) un assorbitore di neutroni solubile (acido borico) aggiunto al refrigerante del reattore, che permette l’estrazione completa delle barre di controllo durante il funzionamento a potenza fissa, garantendo una distribuzione uniforme della potenza e del flusso su tutto il nucleo. Questo shim chimico, insieme all’uso di veleni neutronici bruciabili all’interno dei pellet di combustibile, è usato per aiutare la regolazione della reattività a lungo termine del nocciolo, mentre le barre di controllo sono usate per rapidi cambiamenti di potenza del reattore (ad esempio, spegnimento e avvio). Gli operatori dei BWR usano il flusso di refrigerante attraverso il nucleo per controllare la reattività variando la velocità delle pompe di ricircolo del reattore (un aumento del flusso di refrigerante attraverso il nucleo migliora la rimozione delle bolle di vapore, aumentando così la densità del refrigerante/moderatore, aumentando la potenza).