传统的热力发电站是利用燃烧化石燃料释放的热能来发电，腭核电站利用的是原子核释放的能量，典型的是通过核裂变反应。

一个较大的裂变原子核（通常是铀-235或钚-239）吸收一个中子后通常会发生裂变。裂变将一个原子分裂成两个甚至更多有动能的小原子核（裂变产物）并释放伽马射线和自由中子。一部分中子之后会被其他裂变原子吸收，发生更多裂变反应，然后释放更多中子，等等。

这种核链式反应可以用中子毒物和中子慢化剂来控制，来改变能诱发更多裂变反应的中子。一旦检测到不安全的情况，核反应堆一般有自动和手动两种系统来停止裂变反应。

冷却系统将热量从反应堆芯中除去，并将其运至核电厂的另一区域，这些热能可以用来发电或做其他的有用功。通常，热的冷却剂可以用作锅炉的热源，锅炉的高压蒸汽能为蒸汽轮机驱动的发电机提供能量。

反应堆可因燃料、冷却剂和控制方案不同而有多种不同的设计。一些设计是为了满足特定的需求。例如，用于核潜艇和大型海军舰艇的核反应堆一般采用高浓缩铀作为燃料。这种燃料能增加反应堆的能量密度，延长一定核燃料负荷的使用时间，但是会更贵，核扩散的风险也比其他核燃料高。

很多新设计是用于核能发电的，统称为IV发电反应堆。这一设计是现在研究的热点，将来可能应用于实际发电。很多新设计旨在使裂变反应更清洁，更安全，核扩散的风险更小。被动安全核电厂（如ESBWR）现在已经能够建设了，其他一些防愚设计也正在努力研发中。核聚变反应堆，在将来可能成为现实，它将减少或消除很多核裂变相关的风险。