Pierwiastki chemiczne o użytecznie wysokich przekrojach poprzecznych wychwytu neutronów obejmują srebro, ind i kadm. Inne pierwiastki kandydujące obejmują bor, kobalt, hafn, samar, europ, gadolin, terb, dysproz, holm, erb, tul, iterb i lutet. Mogą być również stosowane stopy lub związki, takie jak stal wysokoborowa, stop srebra z indem i kadmem, węglik boru, diborek cyrkonu, diborek tytanu, diborek hafnu, azotan gadolinu, tytanian gadolinu, tytanian dysprozu i kompozyt węglika boru z heksaborkiem europu.
Wybór materiałów jest uzależniony od energii neutronów w reaktorze, ich odporności na pęcznienie wywołane neutronami oraz wymaganych właściwości mechanicznych i żywotności. Pręty mogą mieć postać rurek wypełnionych granulatem lub proszkiem pochłaniającym neutrony. Rurki mogą być wykonane ze stali nierdzewnej lub innych materiałów z „oknem neutronowym”, takich jak cyrkon, chrom, węglik krzemu lub sześcienny 11
B15
N (sześcienny azotek boru).
Zapłon izotopów „trucizny spalania” również ogranicza żywotność pręta kontrolnego. Można je zmniejszyć poprzez zastosowanie pierwiastka takiego jak hafn, „niepalnej trucizny”, która wychwytuje wiele neutronów przed utratą skuteczności, lub poprzez nieużywanie absorberów neutronów do przycinania. Na przykład w reaktorach ze złożem żwirowym lub w możliwych reaktorach nowego typu, moderowanych i chłodzonych litem-7, które wykorzystują paliwo i otoczaki absorpcyjne.
Niektóre pierwiastki ziem rzadkich są doskonałymi absorberami neutronów i są mniej rzadkie niż srebro (rezerwy około 500 000 t). Na przykład, ytterbium (rezerwy około 1 M ton) i itr, 400 razy bardziej powszechne, o średnich wartościach wychwytu, mogą być znalezione i używane razem bez separacji wewnątrz minerałów, takich jak ksenotym (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, lub keiviite (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, obniżając koszty. Ksenon jest również silnym pochłaniaczem neutronów jako gaz i może być stosowany do kontroli i (awaryjnego) zatrzymywania reaktorów chłodzonych helem, ale nie działa w przypadku utraty ciśnienia lub jako gaz zabezpieczający przed spalaniem wraz z argonem wokół części zbiornika, zwłaszcza w przypadku reaktorów łapiących rdzeń lub gdy jest wypełniony sodem lub litem. Wyprodukowany w wyniku rozszczepienia ksenon może być użyty po odczekaniu na wytrącenie się cezu, kiedy praktycznie nie ma już radioaktywności. Kobalt-59 jest również używany jako absorber przy pozyskiwaniu kobaltu-60 do produkcji promieniowania rentgenowskiego. Pręty kontrolne mogą być również skonstruowane jako grube pręty obrotowe z wolframowym reflektorem i stroną absorbera obracaną do zatrzymania przez sprężynę w czasie krótszym niż 1 sekunda.
Stopy srebro-indium-kadm, generalnie 80% Ag, 15% In i 5% Cd, są powszechnie stosowanym materiałem na pręty kontrolne w reaktorach wodnych ciśnieniowych. Nieco inne regiony pochłaniania energii przez te materiały sprawiają, że stop ten jest doskonałym pochłaniaczem neutronów. Ma on dobrą wytrzymałość mechaniczną i może być łatwo wytwarzany. Musi być obudowany stalą nierdzewną, aby zapobiec korozji w gorącej wodzie. Chociaż ind jest mniej rzadki niż srebro, jest droższy.
Bor jest kolejnym popularnym pochłaniaczem neutronów. Ze względu na różne przekroje poprzeczne 10B i 11B, często stosowane są materiały zawierające bor wzbogacony w 10B poprzez separację izotopową. Szerokie spektrum absorpcji boru sprawia, że jest on również odpowiedni jako osłona przed neutronami. Właściwości mechaniczne boru w jego podstawowej postaci są nieodpowiednie, dlatego też zamiast niego muszą być stosowane stopy lub związki. Często wybierane są stal wysokoborowa i węglik boru. Ten ostatni jest stosowany jako materiał na pręty regulacyjne zarówno w reaktorach PWR, jak i BWR. Oddzielanie 10B/11B jest wykonywane komercyjnie za pomocą wirówek gazowych nad BF3, ale może być również wykonywane nad BH3 z produkcji boranu lub bezpośrednio za pomocą zoptymalizowanej energetycznie wirówki topiącej, wykorzystującej ciepło świeżo oddzielonego boru do podgrzewania wstępnego.
Hafn ma doskonałe właściwości dla reaktorów wykorzystujących wodę zarówno do moderowania jak i chłodzenia. Ma dobrą wytrzymałość mechaniczną, może być łatwo wytwarzany i jest odporny na korozję w gorącej wodzie. Hafn może być stopiony z innymi elementami, np. z cyną i tlenem w celu zwiększenia wytrzymałości na rozciąganie i pełzanie, z żelazem, chromem i niobem w celu zwiększenia odporności na korozję, a także z molibdenem w celu zwiększenia odporności na zużycie, twardości i obrabialności. Takie stopy są oznaczone jako Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N, i Hafaloy-NM. Wysoki koszt i mała dostępność hafnu ograniczają jego zastosowanie w reaktorach cywilnych, chociaż jest on stosowany w niektórych reaktorach marynarki wojennej USA. Węglik hafnu może być również stosowany jako nierozpuszczalny materiał o wysokiej temperaturze topnienia 3890 °C i gęstości większej niż dwutlenek uranu do zatapiania, w stanie nieroztopionym, przez korium.
Tytanian dysprozu był w trakcie oceny dla prętów kontrolnych wody pod ciśnieniem. Tytanian dysprozu jest obiecującym zamiennikiem dla stopów Ag-In-Cd, ponieważ ma znacznie wyższą temperaturę topnienia, nie ma tendencji do reagowania z materiałami okładzinowymi, jest łatwy w produkcji, nie wytwarza odpadów radioaktywnych, nie pęcznieje i nie wydziela gazów. Został on opracowany w Rosji i jest zalecany przez niektórych do reaktorów VVER i RBMK. Wadą jest mniejsza absorpcja tytanu i tlenku, że inne pierwiastki pochłaniające neutrony nie reagują z materiałami okładzinowymi o już wysokiej temperaturze topnienia oraz że samo użycie nierozdzielonej zawartości dysprozu w minerałach takich jak Keiviit Yb wewnątrz rur chromowych, SiC lub c11B15N zapewnia doskonałą cenę i absorpcję bez pęcznienia i odgazowywania.
Diborek hafnu jest kolejnym takim materiałem. Może on być stosowany samodzielnie lub w spiekanej mieszaninie proszków hafnu i węglika boru.
Można stosować wiele innych związków pierwiastków ziem rzadkich, takich jak samar z borem podobnym do europu i borkiem samaru, który jest już stosowany w przemyśle kolorystycznym. Mniej chłonne związki boru podobne do tytanu, ale niedrogie, takie jak molibden jak Mo2B5. Ponieważ wszystkie one pęcznieją z boru, w praktyce inne związki są lepsze, takie jak węgliki, itp., lub związki z dwóch lub więcej elementów pochłaniających neutrony razem. Ważne jest, że wolfram, a prawdopodobnie także inne elementy, takie jak tantal, mają takie same wysokie właściwości wychwytywania jak hafn, ale z odwrotnym skutkiem. To nie jest możliwe do wyjaśnienia tylko przez odbicie neutronów. Oczywistym wyjaśnieniem jest rezonansowe promieniowanie gamma zwiększające stosunek rozszczepienia i rozmnażania w stosunku do powodowania większego wychwytu uranu itp. w warunkach metastabilnych, jak dla izotopu 235mU, który ma okres półtrwania około 26 minut.
Dodatkowe środki regulacji reaktywnościEdit
Inne środki kontroli reaktywności obejmują (dla PWR) rozpuszczalny pochłaniacz neutronów (kwas borowy) dodawany do chłodziwa reaktora, pozwalający na całkowite wyciągnięcie prętów regulacyjnych podczas pracy stacjonarnej, zapewniając równomierny rozkład mocy i strumienia w całym rdzeniu. Ta chemiczna podkładka, wraz z wykorzystaniem możliwych do spalenia trucizn neutronowych w granulkach paliwa, jest wykorzystywana do wspomagania regulacji długoterminowej reaktywności rdzenia, podczas gdy pręty regulacyjne są używane do szybkich zmian mocy reaktora (np. wyłączenia i rozruchu). Operatorzy reaktorów BWR wykorzystują przepływ chłodziwa przez rdzeń do regulacji reaktywności poprzez zmianę prędkości pomp recyrkulacyjnych reaktora (zwiększenie przepływu chłodziwa przez rdzeń poprawia usuwanie pęcherzyków pary, co zwiększa gęstość chłodziwa/moderatora, a tym samym moc).
.