核反应堆通过铀原子核裂变反应产生并控制能量的输出。以铀作为核燃料产生能量将水加热产生蒸汽并驱动蒸汽轮机发电。核能是一种清洁高效的能源。除反应堆外，核电站其余部分与火力发电站基本相同。
反应堆芯
反应堆的堆芯至于钢制压力壳中，因此其周围的水即使达到320℃也仍然保持液态。蒸汽在蒸汽发生器或堆芯上方产生以驱动汽轮机发电，蒸汽则重新凝结并循环。
核反应堆的堆芯包含几百根燃料棒，每根燃料棒则包含上千个铀氧化物陶瓷燃料芯块。一个输出功率约1000 MW的反应堆，其堆芯需要约75吨浓缩铀。
在堆芯中，U-235同位素通过链式反应释放出裂变能，其中很大一部分为热能，U-235裂变释放的多为快中子，需要慢化剂将其慢化，以增大中子俘获截面，维持链式反应，反应堆中通常使用水或石墨等作为慢化剂。
在反应堆中，部分U-238被转换成Pu，其中约一半发生裂变反应，释放出的能量约占反应堆功率的1/3。
裂变产物存留在陶瓷燃料中，是核废物的主要来源，会继续发生放射性衰变，并释放热量。
压水堆（PWR）和沸水堆（BWR）
世界上绝大多数在运行的堆型为压水堆，热量交换发生在主回路，在二回路产生蒸汽；少数堆型为沸水堆，尽管其主回路中的压强相当大，仍然在主回路中产生蒸汽。这两种反应堆都使用水作为冷却剂和慢化剂。
压水堆示意图
压力壳和蒸汽发生器均置于厂房内，其墙壁为增强的混凝土，厚度约为1.2米。可以防止内部事故导致的放射性泄露，也可以保护反应堆免受外来攻击。
由于反应堆停止运行后，裂变产生的放射性元素衰变仍然继续产生热量，因此必须通过冷却系统带走这些热量，这与反应堆的功率输出同等重要。
为保证反应堆的性能，需要每1~2年更换1/3~1/2的燃料组件。
史前天然反应堆
世界上第一个反应堆大约是在二十亿年前由于铀的天然沉积形成的。位于现在的加蓬（Gabon）。这些反应堆处于富含铀的矿体中，慢化剂为渗透入矿体的雨水。
核能对世界电力供应的贡献
核能在世界发电中所占比例约为12%。目前有31个国家建有反应堆，在电力供应中核电比例有的国家高达75%。在这些国家中，核电比例在1/4甚至1/3的比比皆是。自20世纪50年代以来，世界上440座反应堆累计运行时间超过了15000堆·年（核动力舰船的运行记录与此类似）。
