火力发电中煤粉在锅炉中燃烧产生热量，通过高温蒸汽推动汽轮机做功，汽轮机带动发电机发电；正如火力发电一样，核能发电是通过核反应堆释放核能，通过蒸汽发生器把核能转变成热能，然后以高温蒸汽推动汽轮机做功，汽轮机带动发电机发电，可见，两种发电方式的主要区别在于产生蒸汽的设备和过程。核反应堆就是装配了核燃料来实现大规模可控核裂变链式反应的装置，核裂变链式反应通常在压力容器中进行，因此，核反应堆是核电站的心脏部件。
目前核电站中广泛使用的核燃料是铀。地下开采的铀矿石不能直接用作核燃料，要经过精选、碾碎、酸浸、浓缩等程序，制成有一定铀含量、一定几何形状的铀棒，才能参与反应堆工作。最终作为燃料被“烧掉”的是铀的3种放射性同位素，即铀－238（自然界中含量百分比99．275％）、铀－235（0．720％）和铀－234（0．005％）中的一种或其混合物。
有了核原料，接下来是不是就可以直接进行核裂变反应了呢？答案是否定的。核裂变反应的条件比较苛刻。核裂变反应释放的中子为快中子，快中子能量巨大且不易控制，需要用慢化剂将快中子能量减少，使之慢化成为热中子或中能中子，增加与原子核碰撞的机会，才能进行链式反应。因此，这里慢化剂所起的作用就好比汽车的“刹车片”一样。
核裂变反应异常迅速，除了有慢化剂之外，还需要采取其他控制设施，这就是控制棒。不要小看这根棒，它在反应堆中起调节中子反应速率及紧急停堆的作用，就如同阀门和应急开关一样。控制棒有很多材料，常用的控制棒材料有硼钢、银钢镉合金等。其中含硼材料因资源丰富、价格低，应用较广，但容易产生脆化和变化。而银铟镉是轻水堆的主要控制材料。
一般房间暧气片里流动的是水，这些水就是供暧的载体。同样在核电厂中，核裂变产生的能量需要通过热载体导出，热载体又叫冷却剂。由于水的热物性较好，所以核电站中的热载体也用水。由于铀及其裂变产物都有强放射性，所以核反应堆和冷却剂等要用耐辐射的材料包容起来，并用具有良好射线阻挡能力的材料进行屏蔽，形成屏蔽层用来防护中子、丫射线和热辐射。由此可见，核反应堆结构主要由核燃料、慢化剂、热载体、控制设施、防护装置组成。
当然，针对不同的场合，需要用不同的反应堆，如核动力航空母舰和核电站的反应堆肯定不一样。按照核反应堆内中子能谱、慢化剂种类和冷却剂类型及用途等不同，核反应堆分类如下。在核电工业中主要是按照冷却剂和慢化剂对反应堆进行分类。轻水堆、重水堆、石墨堆是核电工业中应用较成熟的发电堆。轻水反应堆是目前技术最成熟、应用最广泛的堆型。它的优点是：体积小，结构和运行都比较简单，功率密度高，单堆功率大，造价低廉，建造周期短以及安全可靠。但轻水堆对天然铀的利用率低，仅为33％，发展轻水堆要比重水堆多用天然铀50％以上。目前，全球正在运行的以及在建的核反应堆中，大部分是轻水反应堆，占所有反应堆的85％以上。