核能發電本質是能量轉換過程：核裂變能→熱能→機械能→電能。鈾作為核燃料在反應堆內發生裂變鏈式反應，產生核裂變能。目前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。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，蒸汽熱能轉化為機械能推動汽輪機運轉，汽輪機帶動發電機旋轉，最終機械能轉化為電能產生電力。
核電堆型種類較多，目前技術成熟且投入商運的有壓水堆、沸水堆、重水堆等。冷卻劑和慢化劑為水的主要是輕水堆，輕水堆主要包括壓水堆、沸水堆。沸水堆主要是在壓水堆基礎上簡單派生出來，它通過降低壓力，使水在堆芯沸騰后直接生成蒸汽，經過汽水分離，直接用于推動汽輪機發電，故只有一個回路。重水堆是使用重水（重氫和氧形成的水）做冷卻劑和中子慢化劑，可直接采用天然鈾或略濃縮的金屬鈾做燃料。快中子堆沒有慢化劑，使用快中子（中子平均能量約 0.5MeV 以上，比熱中子反應堆內約 0.007eV 的電子能量大得多）引發裂變，快中子在引發裂變后還有較多的剩余，可用來使不易裂變的鈾-238 裂變為優質燃料钚-239。另外，核電站按照堆型的用途可分為動力堆、生產堆、研發堆、特殊用途堆等。
核電技術已從第一代發展至第四代，甚至第五代也已被提出。從核電站技術演變來看，主要可劃分四代核電技術。第一代是實驗性的核電站，主要是為了通過試驗示范形式來驗證其核電在工程實施上的可行性，目前已基本退役；第二代核電技術具有標準化、系列化、批量化的特點，安全性、經濟性均提高，但應對嚴重事故的能力仍薄弱；第三代核電技術是主流，安全性更高，建造周期縮短，壽命延長,目前我國新建均為三代機型，正在逐步取締二代+機組成為主力，2021 年 9 月，世界首個釷核反應堆在甘肅成功運行，中國或將于 2030 年前建造一個為 10 萬居民提供電力的 373 兆瓦釷核反應堆；第四代仍在發展階段，預計 2030 年左右推出解決核能經濟性、安全性、可持續性、廢物處理和防止核擴散問題的核能系統；第五代核能系統是一種“核能協同網絡”的概念，具有系統性、靈活性和多能性三大特點。
