核能是原子核內部因結構改變而產生的能量，核能發電主要通過核裂變鏈式反應進行。只有一些質量大的原子核如鈾、钚等才能發生核裂變并產生巨大能量。目前世界上的核能發電主要是利用鈾-235作為燃料，當一個鈾-235的原子核受到熱中子轟擊，原子核吸收中子，由于其內部結構不穩定，分裂成兩個或多個較小的原子核并釋放出2-3個中子。核裂變產生的中子將撞擊周圍其他鈾-235原子，這些鈾-235原子也將以倍增效應分裂并產生額外的中子，從而產生鏈式反應。1千克鈾-235全部核的裂變將產生20000MWh的能量，與燃燒至少2000噸煤釋放的能量一樣多，相當于一個20兆瓦的發電站運轉1000小時。
核電站通過對核裂變能進行一系列能量轉化進行發電。鈾作為核燃料在反應堆內發生裂變，產生核裂變能；核裂變能通過加熱冷卻劑，在蒸汽發生機內產生蒸汽，核裂變能轉化為熱能；蒸汽壓力推動汽輪機轉動，熱能轉化成機械能；汽輪機帶動發電機旋轉，機械能轉化成電能。在裂變過程中，中子慢化劑用于降低裂變中子的運動速度，使快中子變為熱中子，增加與原子核碰撞的機會從而有效地進行可控鏈式反應。
核反應堆是核電站的關鍵裝備之一，根據其反應形式、用途、中子能量分布、冷卻劑和慢化劑種類等因素可建造成各種不同的結構形式。目前世界上所采用的堆形有壓水堆、沸水堆、重水堆、石墨氣冷堆、石墨水冷堆、快中子增殖堆等。其中，壓水堆是目前在運核電站中采用的最普遍堆型。根據世界核能協會發布的《WorldNuclear Performance Report 2021》，截止2020年末，全球在運核電反應堆共441座，其中壓水堆302座，占比68%。
