Chemische elementen met een bruikbare hoge neutronenvangstdoorsnede zijn onder meer zilver, indium en cadmium. Andere kandidaat-elementen zijn borium, kobalt, hafnium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium, en lutetium. Er kunnen ook legeringen of verbindingen worden gebruikt, zoals hoog-boriumstaal, zilver-indium-cadmiumlegering, boriumcarbide, zirkoniumdiboride, titaandiboride, hafniumdiboride, gadoliniumnitraat, gadoliniumtitanaat, dysprosiumtitanaat, en boriumcarbide-europiumhexaboridecomposiet.
De materiaalkeuze wordt beïnvloed door de neutronenenergie in de reactor, hun weerstand tegen door neutronen veroorzaakte zwelling, en de vereiste mechanische eigenschappen en levensduur. De staven kunnen de vorm hebben van buizen gevuld met neutronenabsorberende korrels of poeder. De buizen kunnen worden gemaakt van roestvrij staal of andere “neutronenvenster”-materialen zoals zirkonium, chroom, siliciumcarbide, of kubiek 11
B15
N (kubiek boornitride).
De opbranding van “brandbaar gif” isotopen beperkt ook de levensduur van een regelstaaf. Zij kunnen worden verminderd door een element als hafnium te gebruiken, een “niet-brandbaar gif” dat meerdere neutronen opvangt voordat het zijn werkzaamheid verliest, of door geen neutronenabsorbers te gebruiken voor het trimmen. Bijvoorbeeld in pebble bed reactoren of in mogelijke nieuwe type lithium-7-gemodereerde en -gekoelde reactoren die brandstof en absorberende kiezels gebruiken.
Enkele zeldzame aardmetalen zijn uitstekende neutronenabsorbers en zijn minder zeldzaam dan zilver (reserves van ongeveer 500.000t). Zo kunnen ytterbium (reserves ongeveer 1 M ton) en yttrium, 400 maal meer voorkomend, met middelmatige vangstwaarden, samen worden gevonden en gebruikt zonder scheiding binnen mineralen als xenotime (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, of keiviiet (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, waardoor de kosten worden verlaagd. Xenon is ook als gas een sterke neutronenabsorber, en kan worden gebruikt voor het regelen en (nood)stoppen van heliumgekoelde reactoren, maar functioneert niet in geval van drukverlies, of als brandend beschermgas samen met argon rond het vatdeel, vooral in het geval van kernvangreactoren of indien gevuld met natrium of lithium. Het door splijting geproduceerde xenon kan worden gebruikt na te hebben gewacht tot het cesium is neergeslagen, wanneer er praktisch geen radioactiviteit meer over is. Kobalt-59 wordt ook gebruikt als absorber voor het winnen van kobalt-60 voor röntgenproductie. Regelstaven kunnen ook worden geconstrueerd als dikke draaibare staven met een reflector van wolfraam en een absorberzijde die door een veer in minder dan 1 seconde tot stilstand wordt gebracht.
Zilver-indium-cadmiumlegeringen, in het algemeen 80% Ag, 15% In, en 5% Cd, zijn een gangbaar regelstaafmateriaal voor drukwaterreactoren. De enigszins verschillende energie-absorptieregio’s van de materialen maken de legering tot een uitstekende neutronenabsorber. Zij heeft een goede mechanische sterkte en kan gemakkelijk worden vervaardigd. Hij moet in roestvrij staal worden ingegoten om corrosie in heet water te voorkomen. Hoewel indium minder zeldzaam is dan zilver, is het duurder.
Borium is een andere veelgebruikte neutronenabsorber. Vanwege de verschillende doorsneden van 10B en 11B worden vaak materialen gebruikt die boor bevatten dat door isotopenscheiding met 10B is verrijkt. Het brede absorptiespectrum van boor maakt het ook geschikt als neutronenafscherming. De mechanische eigenschappen van boor in zijn elementaire vorm zijn ongeschikt, zodat in plaats daarvan legeringen of verbindingen moeten worden gebruikt. Gangbare keuzen zijn staal met een hoog boriumgehalte en boriumcarbide. Boriumcarbide wordt gebruikt als materiaal voor regelstaven in zowel PWR’s als BWR’s. 10B/11B-scheiding wordt commercieel gedaan met gascentrifuges boven BF3, maar kan ook worden gedaan boven BH3 uit de boraanproductie of rechtstreeks met een voor energie geoptimaliseerde smeltcentrifuge, waarbij de warmte van vers afgescheiden borium wordt gebruikt voor voorverwarming.
Hafnium heeft uitstekende eigenschappen voor reactoren die water gebruiken voor zowel matiging als koeling. Het heeft een goede mechanische sterkte, kan gemakkelijk worden vervaardigd, en is bestand tegen corrosie in heet water. Hafnium kan worden gelegeerd met andere elementen, b.v. met tin en zuurstof om de trek- en kruipsterkte te verhogen, met ijzer, chroom en niobium voor corrosiebestendigheid, en met molybdeen voor slijtvastheid, hardheid, en bewerkbaarheid. Dergelijke legeringen worden aangeduid als Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N, en Hafaloy-NM. De hoge kosten en de geringe beschikbaarheid van hafnium beperken het gebruik ervan in civiele reactoren, hoewel het in sommige reactoren van de US Navy wordt gebruikt. Hafniumcarbide kan ook worden gebruikt als een onoplosbaar materiaal met een hoog smeltpunt van 3890 °C en een dichtheid die hoger is dan die van uraniumdioxide, om ongesmolten door corium te zinken.
Dysprosiumtitanaat werd geëvalueerd voor regelstaven met drukwater. Dysprosiumtitanaat is een veelbelovende vervanger van Ag-In-Cd-legeringen omdat het een veel hoger smeltpunt heeft, niet de neiging heeft te reageren met bekledingsmaterialen, gemakkelijk te produceren is, geen radioactief afval produceert, niet opzwelt en niet uitgast. Het is ontwikkeld in Rusland en wordt door sommigen aanbevolen voor VVER- en RBMK-reactoren. Een nadeel is minder absorptie van titaan en oxide, dat andere neutronenabsorberende elementen niet reageren met de reeds met een hoog smeltpunt werkende bekledingsmaterialen en dat alleen al het gebruik van de ongescheiden inhoud met dysprosium binnenin mineralen als Keiviit Yb binnenin chroom, SiC of c11B15N buizen een superieure prijs en absorptie oplevert zonder op te zwellen en te outgassen.
Hafnium diboride is een ander dergelijk materiaal. Het kan alleen worden gebruikt of in een gesinterd mengsel van hafnium- en boriumcarbidepoeders.
Vele andere verbindingen van zeldzame aardmetalen kunnen worden gebruikt, zoals samarium met boriumachtig europium en samariumboride, dat al in de kleurindustrie wordt gebruikt. Minder absorberende boorverbindingen die lijken op titaan, maar die niet duur zijn, zoals molybdeen als Mo2B5. Aangezien zij alle zwellen met boor, zijn in de praktijk andere verbindingen beter, zoals carbiden, enz., of verbindingen met twee of meer neutronen-absorberende elementen samen. Van belang is dat wolfraam, en waarschijnlijk ook andere elementen zoals tantaal, grotendeels dezelfde hoge vangstcapaciteiten hebben als hafnium, maar met het tegenovergestelde effect. Dit is niet te verklaren door neutronenreflectie alleen. Een voor de hand liggende verklaring is dat resonantie gammastralen de splijtings- en kweekverhouding verhogen versus meer vangst van uranium veroorzaken, enz. over metastabiele condities zoals voor isotoop 235mU, dat een halfwaardetijd heeft van ongeveer 26 min.
Extra middelen om de reactiviteit te regelenEdit
Extra middelen om de reactiviteit te regelen zijn (voor PWR) een oplosbare neutronenabsorber (boorzuur) die aan het reactorkoelmiddel wordt toegevoegd, waardoor de regelstaven tijdens stationaire werking volledig kunnen worden afgezogen, zodat een gelijkmatige vermogens- en fluxverdeling over de gehele kern gewaarborgd is. Deze chemische afscherming wordt, samen met het gebruik van brandbare neutronengiffen in de splijtstofkorrels, gebruikt om de reactiviteit van de kern op lange termijn te helpen regelen, terwijl de regelstaven worden gebruikt voor snelle vermogenswijzigingen in de reactor (b.v. uitschakelen en opstarten). De exploitanten van BWR’s gebruiken de koelmiddelstroom door de kern om de reactiviteit te regelen door de snelheid van de reactorrecirculatiepompen te variëren (een toename van de koelmiddelstroom door de kern verbetert de verwijdering van stoombellen, waardoor de dichtheid van de koelvloeistof/moderator toeneemt en het vermogen toeneemt).