Al igual que muchas centrales térmicas convencionales, generan electricidad aprovechando la energía térmica liberada de la quema de combustibles fósiles, las centrales nucleares convierten la energía liberada por el núcleo de un átomo, por lo general a través de la fisión nuclear.
Cuando un núcleo relativamente grande atómicamente fisionable (por lo general de uranio-235 o plutonio-239), absorbe un neutrón, una fisión del átomo, resulta. La fisión del átomo se divide en dos o más núcleos más pequeños con la energía cinética (conocidos como productos de fisión), así como emisiones de radiación gamma y neutrones libres. Una parte de estos neutrones más tarde puede ser absorbida por otros átomos fisionables y crear más fisiones, que liberan más neutrones , y así sucesivamente.
Esta reacción nuclear en cadena puede ser controlada mediante el uso de venenos neutrónicos y moderadores de neutrones para cambiar la parte de neutrones que van a causar más fisiones. Reactores nucleares en general, cuentan con sistemas automáticos y manuales para cerrar la reacción de fisión, si las condiciones inseguras se detectan.
Un sistema de refrigeración elimina el calor del núcleo del reactor y lo transporta a otra área de la planta, donde se puede aprovechar la energía térmica para producir electricidad o para hacer trabajo útil. Normalmente, el refrigerante caliente se utilizará como fuente de calor para una caldera, y el vapor a presión desde la caldera, enciende una turbina de vapor o más, impulsados por generadores eléctricos.
Hay muchos diseños diferentes de reactor, utilizando diferentes combustibles y los refrigerantes y la incorporación de sistemas de control diferentes. Algunos de estos diseños han sido diseñados para satisfacer una necesidad específica. Reactores para submarinos nucleares y grandes buques de guerra, por ejemplo, suelen usar el uranio altamente enriquecido como combustible. Esta opción aumenta la densidad del combustible del reactor de energía y prolonga la vida útil de la carga de combustible nuclear, pero es más caro y un mayor riesgo de proliferación nuclear que algunos de los combustibles nuclear.
Una serie de nuevos diseños para la generación de energía nuclear, conocidos colectivamente como los reactores de IV generación, son objeto de investigación activa y puede ser utilizado para la generación de energía práctica en el futuro. Muchos de estos nuevos diseños específicamente, es un intento de hacer que los reactores de fisión más limpios, seguros y / o menor riesgo para la proliferación de armas nucleares. Pasivamente unas instalaciones seguras (como el ESBWR) están disponibles para ser construido. Reactores de fusión, viables en el futuro, reducen o eliminan muchos de los riesgos asociados con la fisión nuclear.