控制棒用于核反應堆以控制核燃料（鈾或钚）的裂變速率。 它們的成分包括硼、鎘、銀、鉿或銦等化學元素，這些元素能夠吸收許多中子而不會自行衰變。 這些元素對于各種能量的中子具有不同的中子俘獲截面。 沸水反應堆 (BWR)、壓水反應堆 (PWR) 和重水反應堆 (HWR) 使用熱中子運行，而增殖反應堆使用快中子運行。 每個反應堆設計都可以根據其中子的能譜使用不同的控制棒材料。 控制棒已被用于核飛機發動機，如冥王星計劃，作為一種控制方法。

控制桿被插入核反應堆的核心并進行調整，以控制核鏈式反應的速率，從而控制反應堆的熱功率輸出、蒸汽產生速率和電功率輸出 發電廠。

插入的控制棒的數量和它們插入的距離強烈影響反應堆的反應性。 當反應性（作為有效中子倍增因子）高于 1 時，核連鎖反應的速率隨時間呈指數增長。 當反應性低于 1 時，反應速率隨時間呈指數下降。 當所有控制棒都完全插入時，它們的反應性將保持在略高于 0 的水平，這會迅速使正在運行的反應堆減速至停止并保持停止狀態（處于關閉狀態）。 如果所有控制棒都被完全移除，反應性會明顯高于 1，并且反應堆會迅速變得越來越熱，直到某些其他因素（例如溫度反應性反饋）減慢反應速率。 保持恒定的功率輸出需要保持長期平均中子倍增因子接近 1。

一個新的反應堆已組裝好，其控制棒已完全插入。 控制棒從核心部分移除，以允許核連鎖反應啟動并增加到所需的功率水平。 中子通量可以測量，并且大致與反應速率和功率水平成正比。 為了增加功率輸出，將一些控制棒拉出一小段距離。 為了降低功率輸出，將一些控制棒推入一小段距離。 其他幾個因素會影響反應性； 為了補償它們，自動控制系統會根據某些反應堆的需要調整控制棒的進出量。 每個控制棒對反應堆的某些部分的影響大于其他部分； 可以對燃料分配進行計算調整，以在堆芯的不同部分保持相似的反應速率和溫度。

歐洲加壓反應堆或高級 CANDU 反應堆等現代反應堆的典型停堆時間為 2 秒，減少 90%，受衰變熱限制。

控制棒通常用于控制棒組件（商業 PWR 組件通常有 20 根棒）并插入燃料元件內的導管中。 控制桿通常在核心內垂直站立。 在 PWR 中，它們是從上方插入的，控制棒驅動機構安裝在反應堆壓力容器頭部。 在沸水反應堆中，由于堆芯上方需要蒸汽干燥器，這種設計需要從下方插入控制棒。

具有有用的高中子俘獲截面的化學元素包括銀、銦和鎘。 其他候選元素包括硼、鈷、鉿、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿和镥。 也可以使用合金或化合物，例如高硼鋼、銀-銦-鎘合金、碳化硼、二硼化鋯、二硼化鈦、二硼化鉿、硝酸釓、鈦酸釓、鈦酸鏑和碳化硼-六硼化銪復合物 .

材料的選擇受反應堆中的中子能量、它們對中子引起的膨脹的抵抗力以及所需的機械和壽命特性的影響。 這些棒可以是管狀的，里面裝滿了吸收中子的小球或粉末。 管子可以由不銹鋼或其他中子窗材料制成，例如鋯、鉻、碳化硅或立方 11 _{B15N（立方氮化硼）。}

可燃有毒同位素的燃盡也限制了控制棒的壽命。 它們可以通過使用諸如鉿之類的元素來減少，鉿是一種不可燃的毒藥，可以在失效前捕獲多個中子，或者不使用中子吸收劑進行微調。 例如，在球床反應堆或可能使用燃料和吸收球的新型鋰 7 減速和冷卻反應堆中。