実用的に高い中性子捕獲断面積を持つ化学元素には、銀、インジウム、カドミウムなどがあります。 その他の候補元素としては、ホウ素、コバルト、ハフニウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムなどがあります。 また、高ホウ素鋼、銀-インジウム-カドミウム合金、炭化ホウ素、二ホウ化ジルコニウム、二ホウ化チタン、二ホウ化ハフニウム、硝酸ガドリニウム、チタン酸ガドリニウム、チタン酸ジスプロシウム、炭化ホウ素-六ホウ化ユーロピウム複合体などの合金や化合物を使用することもできます。
材料の選択は、原子炉内の中性子エネルギー、中性子によるスウェリングへの耐性、要求される機械的特性や寿命に影響されます。 ロッドは、中性子を吸収するペレットや粉末を充填したチューブの形をしています。
「可燃性毒物」と呼ばれる同位体の燃焼により、制御棒の寿命が制限されることもあります。
「燃えやすい毒」の同位体の燃焼も制御棒の寿命を制限しますが、「燃えない毒」であるハフニウムなどの元素を使用したり、中性子吸収材を使用せずにトリミングを行うことで、燃焼を抑えることができます。
希土類元素の中には、優れた中性子吸収剤であり、銀（埋蔵量約50万トン）よりも希少価値が低いものがあります。 例えば、イッテルビウム（埋蔵量約100万トン）と、その400倍の量があり、捕獲値が中間のイットリウムは、キセノタイム（Yb）（Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4やケイビャイト(Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7などの鉱物の中に含まれ、分離せずに一緒に使うことができ、コストを下げることができます。 キセノンはガスとしても強力な中性子吸収体であり、ヘリウム冷却型原子炉の制御や（緊急）停止に使用できるが、圧力損失が発生した場合や、特にコアキャッチ型原子炉の場合やナトリウムやリチウムが充填されている場合には、アルゴンとともに容器部周辺の燃焼保護ガスとしては機能しない。 核分裂で生成されたキセノンは、セシウムが析出するのを待って、実質的に放射能が残っていない状態で使用することができる。 コバルト-59は、X線製造用のコバルト-60を獲得するための吸収体としても使用されます。
加圧水型原子炉の制御棒の材料としては、銀-インジウム-カドミウムの合金が一般的で、80%のAg、15%のIn、5%のCdが含まれています。 材料のエネルギー吸収領域がやや異なることから、この合金は優れた中性子吸収体となっています。 また、機械的強度が高く、製造も容易である。 熱水での腐食を防ぐためには、ステンレス鋼で包む必要がある。
ボロンも中性子吸収材としてよく使われます。 10Bと11Bの断面積が異なるため、同位体分離によって10Bを濃縮したホウ素を含む材料がよく使われる。 また、ホウ素は吸収スペクトルが広いため、中性子遮蔽材としても適している。 ホウ素の機械的特性は、そのままでは不向きであるため、合金や化合物を使用しなければならない。 一般的には、高ホウ素鋼や炭化ホウ素が用いられる。 後者はPWRとBWRの両方で制御棒の材料として使用されている。 10B/11Bの分離は、商業的にはBF3上でガス遠心分離機を使って行われますが、ボラン製造から得られるBH3上で行うこともできますし、エネルギー的に最適化された溶融遠心分離機を使って、分離されたばかりのホウ素の熱を予熱に利用して直接行うこともできます。
ハフニウムは、減速と冷却の両方に水を使用する原子炉に優れた特性を持っています。
ハフニウムは、減速と冷却の両方に水を使用する原子炉にとって、優れた特性を持っています。 ハフニウムは、他の元素と合金化することができます。例えば、引っ張り強度やクリープ強度を高めるためにスズや酸素と、耐食性を高めるために鉄、クロム、ニオブと、耐摩耗性、硬度、機械加工性を高めるためにモリブデンと合金化することができます。 このような合金は、Hafaloy、Hafaloy-M、Hafaloy-N、Hafaloy-NMと呼ばれています。 ハフニウムは高価で入手しにくいため、民間の原子炉での使用は制限されているが、米海軍の原子炉では使用されているものもある。
チタン酸ジスプロシウムは、加圧水型制御棒の評価が行われていました。 チタン酸ジスプロシウムは、融点がはるかに高く、被覆材と反応しにくく、製造が容易で、放射性廃棄物が発生せず、膨潤せず、アウトガスが発生しないことから、Ag-In-Cd合金の代替として有望視されています。 ロシアで開発されたもので、VVERやRBMKの原子炉に推奨されています。 欠点は、チタンや酸化物の吸収率が低いこと、他の中性子吸収元素がすでに高融点の被覆材と反応しないこと、そして、ケイビリットYbのような鉱物の中のジスプロシウムと分離されていない内容物をクロムやSiC、c11B15N管の中に入れて使うだけで、膨らみやアウトガスのない優れた価格と吸収率が得られることです。
二ホウ化ハフニウムもそのような材料の一つです。
希土類元素の化合物には、サマリウムとホウ素に似たユーロピウム、ホウ化サマリウムなど多くのものがありますが、これらはすでにカラー産業で使われています。 また、チタンに似たホウ素の吸収性の低い化合物としては、Mo2B5のようなモリブデンがありますが、これは安価です。 これらはいずれもホウ素で膨らむので、実際には炭化物などの他の化合物や、2種類以上の中性子吸収元素を一緒にした化合物が良いとされている。 重要なのは、タングステンや、おそらくタンタルのような他の元素も、ハフニウムと同じように高い捕捉特性を持っているが、逆の効果があることだ。 これは、中性子の反射だけでは説明できません。 明らかな説明は、共鳴ガンマ線が核分裂と増殖の比率を高め、半減期が約26分である同位体235mUのような準安定状態では、ウランなどの捕獲が多くなるということです。
その他の反応度調整手段 編集
その他の反応度調整手段としては、（PWRの場合）原子炉の冷却水に可溶性中性子吸収剤（ホウ酸）を添加することで、定置出力運転時に制御棒を完全に引き抜くことができ、炉心全体に均等な出力と磁束分布を確保することができます。 この化学的なシムは、燃料ペレット内の燃焼可能な中性子毒物の使用とともに、炉心の長期的な反応性の調整を支援するために使用され、制御棒は原子炉の急激な出力変化（例：シャットダウンや起動）に使用される。 BWRの運転員は、原子炉再循環ポンプの速度を変化させることにより、炉心を流れる冷却水の流量を利用して反応度を制御している（炉心を流れる冷却水の流量が増加すると、蒸気の泡が除去されやすくなるため、冷却水／減速材の密度が高まり、出力が向上する）
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