Elementos químicos com secções transversais de captura de neutrões úteis incluem prata, índio, e cádmio. Outros elementos candidatos incluem boro, cobalto, háfnio, samário, európio, gadolínio, térbio, disprósio, hólmio, érbio, túlio, ytterbium, e lutécio. Podem também ser utilizadas ligas ou compostos, tais como aço de alto teor de boro, liga de prata e índio-cádmio, carboneto de boro, diboreto de zircónio, diboreto de titânio, diboreto de háfnio, nitrato de gadolínio, titanato de gadolínio, titanato de disprósio, e composto de carboneto de boro e hexaborídios de boro.
A escolha do material é influenciada pela energia de neutrões no reactor, a sua resistência ao inchaço induzido pelos neutrões, e as propriedades mecânicas e de duração necessárias. As hastes podem ter a forma de tubos preenchidos com pastilhas ou pó absorventes de neutrões. Os tubos podem ser feitos de aço inoxidável ou outros materiais de “janela de neutrões” tais como zircónio, crómio, carboneto de silício, ou cúbico 11
B15
N (nitreto de boro cúbico).
A queima de isótopos “queimáveis” também limita a vida útil de uma barra de controlo. Podem ser reduzidos utilizando um elemento como o háfnio, um “veneno não queimável” que captura múltiplos neutrões antes de perder a eficácia, ou não utilizando absorvedores de neutrões para aparar. Por exemplo, em reactores de cama de seixos ou em possíveis novos reactores do tipo lítio-7 moderado e arrefecido que utilizam combustível e seixos absorventes.
Alguns elementos de terras raras são excelentes absorventes de neutrões e são menos raros que a prata (reservas de cerca de 500.000t). Por exemplo, ytterbium (reservas de cerca de 1 M toneladas) e ítrio, 400 vezes mais comum, com valores de captura médios, podem ser encontrados e utilizados em conjunto sem separação dentro de minerais como xenotime (Yb) (Yb0.40Y0.27Lu0.12Er0.12Dy0.05Tm0.04Ho0.01)PO4, ou keiviite (Yb) (Yb1.43Lu0.23Er0.17Tm0.08Y0.05Dy0.03Ho0.02)2Si2O7, baixando o custo. O Xenon é também um forte absorvedor de neutrões como gás, e pode ser utilizado para controlar e parar (de emergência) reactores arrefecidos a hélio, mas não funciona em casos de perda de pressão, ou como gás de protecção contra queimaduras juntamente com argónio em redor da parte da cuba, especialmente no caso de reactores de captura do núcleo ou se enchidos com sódio ou lítio. O xénon produzido por cisão pode ser utilizado depois de esperar que o césio precipite, quando praticamente não resta radioactividade. O cobalto-59 é também utilizado como absorvedor para ganhar o cobalto-60 para a produção de raios X. As hastes de controlo podem também ser construídas como hastes espessas giratórias com reflector de tungsténio e lado absorvente virado para parar por uma mola em menos de 1 segundo.
Ligas de prata em índio-cádmio, geralmente 80% Ag, 15% In, e 5% Cd, são um material comum de hastes de controlo para reactores de água pressurizada. As regiões de absorção de energia um pouco diferentes dos materiais fazem da liga um excelente absorvedor de neutrões. Tem uma boa resistência mecânica e pode ser facilmente fabricada. Deve ser encapsulado em aço inoxidável para evitar a corrosão em água quente. Embora o índio seja menos raro que a prata, é mais caro.
Boron é outro absorvedor de neutrões comum. Devido às diferentes secções transversais de 10B e 11B, materiais contendo boro enriquecido em 10B por separação isotópica são frequentemente utilizados. O amplo espectro de absorção do boro também o torna adequado como escudo de neutrões. As propriedades mecânicas do boro na sua forma elementar são inadequadas, pelo que têm de ser utilizadas ligas ou compostos em seu lugar. As escolhas comuns são o aço de alto teor de boro e o carboneto de boro. Este último é utilizado como material de barras de controlo tanto em PWR como em BWR. A separação 10B/11B é feita comercialmente com centrífugas a gás sobre BF3, mas também pode ser feita sobre BH3 a partir da produção de borano ou directamente com uma centrífuga de fusão optimizada energeticamente, utilizando o calor do boro recém separado para pré-aquecimento.
Hafnio tem excelentes propriedades para reactores que utilizam água tanto para moderação como para arrefecimento. Tem boa resistência mecânica, pode ser facilmente fabricada, e é resistente à corrosão em água quente. O háfnio pode ser ligado a outros elementos, por exemplo com estanho e oxigénio para aumentar a resistência à tracção e à fluência, com ferro, crómio e nióbio para resistência à corrosão, e com molibdénio para resistência ao desgaste, dureza, e maquinabilidade. Tais ligas são designadas como Hafaloy, Hafaloy-M, Hafaloy-N, e Hafaloy-NM. O custo elevado e a baixa disponibilidade do háfnio limitam a sua utilização em reactores civis, embora seja utilizado em alguns reactores da Marinha dos EUA. O carboneto de háfnio também pode ser utilizado como material insolúvel com um elevado ponto de fusão de 3890 °C e densidade superior à do dióxido de urânio para afundamento, não fundido, através do cório.
Dysprosium titanate estava a ser avaliado para hastes de controlo de água pressurizada. O titanato de disprósio é um substituto promissor para as ligas Ag-In-Cd porque tem um ponto de fusão muito mais elevado, não tende a reagir com materiais de revestimento, é fácil de produzir, não produz resíduos radioactivos, não incha e não produz gases. Foi desenvolvido na Rússia e é recomendado por alguns para reactores VVER e RBMK. Uma desvantagem é a menor absorção de titânio e óxido, que outros elementos de absorção de neutrões não reagem com os materiais de revestimento já de alto ponto de fusão e que apenas utilizando o conteúdo não separado com disprósio dentro de minerais como Keiviit Yb dentro de tubos de crómio, SiC ou c11B15N, proporcionam um preço e uma absorção superiores sem inchaço e sem gases.
Hafnium diboride é outro desses materiais. Pode ser utilizado sozinho ou numa mistura sinterizada de háfnio e carboneto de boro em pó.
Muitos outros compostos de elementos de terras raras podem ser utilizados, tais como samário com europium semelhante ao boro e boreto de samário, que já é utilizado na indústria da cor. Compostos de boro menos absorventes, semelhantes ao titânio, mas baratos, tais como molibdénio como o Mo2B5. Como todos eles incham com boro, na prática outros compostos são melhores, tais como carbonetos, etc., ou compostos com dois ou mais elementos de absorção de neutrões juntos. É importante que o tungsténio, e provavelmente também outros elementos como o tântalo, tenham as mesmas qualidades de captura elevadas que o háfnio, mas com o efeito oposto. Isto não é explicável apenas pela reflexão de neutrões. Uma explicação óbvia é os raios gama de ressonância que aumentam a taxa de fissão e reprodução versus provocam mais captura de urânio, etc., em condições de metastable como para o isótopo 235mU, que tem uma meia-vida de cerca de 26 min.
Meios adicionais de regulação da reactividadeEditar
Outros meios de controlo da reactividade incluem (para PWR) um absorvedor de neutrões solúvel (ácido bórico) adicionado ao refrigerante do reactor, permitindo a extracção completa das hastes de controlo durante a operação de energia estacionária, assegurando uma distribuição uniforme de potência e fluxo sobre todo o núcleo. Este calço químico, juntamente com a utilização de venenos de neutrões queimáveis dentro das pastilhas de combustível, é utilizado para auxiliar a regulação da reactividade a longo prazo do núcleo, enquanto as hastes de controlo são utilizadas para mudanças rápidas de potência do reactor (por exemplo, desligamento e arranque). Os operadores de BWR utilizam o fluxo de refrigerante através do núcleo para controlar a reactividade, variando a velocidade das bombas de recirculação do reactor (um aumento do fluxo de refrigerante através do núcleo melhora a remoção de bolhas de vapor, aumentando assim a densidade do refrigerante/moderador, aumentando a potência).