Reaktor jądrowy jest urządzeniem bazującym na reakcji rozszczepienia jąder atomowych. Na początku więc należy przypomnieć najważniejsze informacje dotyczące budowy atomu. Wiadomo powszechnie, że każde jądro atomowe zbudowane jest z neutronów i protonów określanych wspólną nazwą nukleony. Nukleony powiązane są w jądrach siłami jądrowymi. Siły są siłami krótkiego zasięgu i nie zależą od ładunku cząstki. Neutrony i protony niewiele różnią się pod względem masy. Zasadnicza różnica między nimi polega na tym, że protony obdarzone są ładunkami dodatnimi natomiast neutrony są elektrycznie obojętne. Atomy tego samego pierwiastka, które w jądrach mają taką samą liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów nazywa się izotopami. Suma protonów i neutronów w jądrze atomowym to liczba masowa, natomiast liczba protonów to liczba atomowa.

Wyniki badań z wykorzystaniem rozpraszania wysokoenergetycznego promieniowania na jądrach atomowych pokazują , że jądra przyjmują kulisty kształt.

Siły wiążące nukleony w jądrze musza być tak silne, aby przezwyciężyć odpychanie elektrostatyczne między dodatnio naładowanymi protonami. Oddziaływanie między dwoma protonami jest takie samo jak między dwoma neutronami czy neutronem i protonem. Dlatego umownie nazywa się je oddziaływaniem nukleon - nukleon.

Okazuje się, że masa każdego jądra jest mniejsza od sumy mas poszczególnych nukleonów wchodzących w jego skład. Ta różnica masy zwana jest defektem lub niedoborem masy. Jest to bezpośredni dowód na istnienie energii wiązania nukleonów. Zgodnie ze wzorem Einsteina widać, że jeśli nastąpi zmniejszenie energii układu o wartość wtedy musi temu towarzyszyć także zmniejszenie masy układu o wartość . Do takiego zmniejszenia energii układu dochodzi właśnie w momencie łączenia się nukleonów w jądro. Energia układu zmniejsza się o energię wiązania jądra.

Wartość energii wiązania przypadająca na jeden nukleon jest wielkością charakteryzującą dane jądro. Jeśli dokona się analizy wartości energii wiązania na jeden nukleon dla wszystkich pierwiastków to widać, że początkowo wartość tej energii rośnie wraz ze wzrostem liczby masowej. Dzieje się tak do wartości liczby masowej około 50. jest to spowodowane faktem, że wraz ze wzrastająca liczbą nukleonów w jądrze każdy z nich jest przyciągany przez większą liczbę cząstek. Jednak po pewnym czasie energia wiązania osiąga stałą wartość wynoszącą około 8 MeV i następnie zaczyna się zmniejszać. Przyczyną tego jest krótki zasięg sił jądrowych. Najsilniej zatem związane są w jądrach nukleony w przypadku pierwiastków zajmujących środkową część układu okresowego.

Z takich zmian energii wiązania wynikają zjawiska rozszczepienia i syntezy jądrowej. Dla jąder ciężkich korzystniejszy energetycznie jest podział na dwa mniejsze jądra. Sumaryczna masa tych jąder jest mniejsza niż masa jądra macierzystego stąd wiadomo, że nukleony w tych jądrach są silniej wiązane. Dzięki temu w procesach rozszczepienia wydzielają się duże ilości energii.

W celu zwiększenia prawdopodobieństwa rozszczepienia jądra ciężkiego bombarduje się je neutronami o odpowiedniej energii.

W pojedynczym akcie rozszczepienia jądra ciężkiego powstaje na ogół kilka neutronów. Można to dostrzec analizując stosunek protonów do neutronów w jądrze rozszczepianym, które zazwyczaj zawiera nadmiar neutronów oraz w jądrach pierwiastków lekkich.

Każdy powstały neutron może wywołać kolejne reakcje rozszczepienia i w ten sposób może zostać zapoczątkowany samopodtrzymujący się proces zwany reakcją łańcuchową. Musi być jednak zapewniona odpowiednia ilość materiału, który ulega rozszczepieniu. Jest to tzw. masa krytyczna. W reaktorach jądrowych przeprowadza się kontrolowane reakcje łańcuchowe. Chodzi o to , aby utrzymać ilość rozszczepień przypadającą na jednostkę czasu na stałym poziomie. Po raz pierwszy taką reakcje udało się przeprowadzić w roku 1942. Dokonał tego Enrico Fermi.

Aby spalenie paliwa odbywało się powoli konieczne jest stosowanie odpowiednich zabezpieczeń. Wykorzystuje się specjalne materiały, które wyłapują nadmiar powstających neutronów.

Ponieważ przekrój czynny neutronów prędkich na rozszczepienie jest mały dlatego zachodzi również konieczność ich spowalniania. W tym celu stosuje się materiały zwane moderatorami.

W porównaniu więc z nakładami finansowymi poniesionymi na budowę konwencjonalnej elektrowni elektrownia atomowa wymaga na starcie zdecydowanie większych inwestycji. Ale później cena energii w niej produkowanej jest porównywalna a nawet tańsza od energii produkowanej w tradycyjny sposób.

W budowie typowego reaktora można wyróżnić kilka charakterystycznych elementów. Najważniejszy oczywiście jest sam rdzeń, który składa się m.in. z prętów paliwowych. Pręty te zawierają materiał rozszczepialny. Konieczne są także elementy zabezpieczające czyli chociażby pręty regulacyjne , które pochłaniają nadmiar neutronów. Zazwyczaj wykonane są one z boru lub kadmu. Ich zadaniem jest precyzyjna regulacja ilości neutronów. Obecne są także pręty bezpieczeństwa, których przeznaczeniem jest zablokowanie procesów rozszczepienia w reaktorze w razie jakiejkolwiek awarii.

Paliwo jądrowe zgromadzone w prętach zazwyczaj wystarcza na okres 4 lub 5 lat. Zużyte pręty następnie muszą być odpowiednio składowane, aby nie stanowić zagrożenia skażeniem terenu. Ponieważ w reakcjach rozszczepienia powstają duże ilości energii zatem musiał zostać stworzony system chłodzący, który odbiera tą energię. Jako chłodziwo może być wykorzystywana zwykła woda, lub ciężka, wzbogacona deuterem. Jako chłodziwo mogą też być wykorzystywane gazy takie jak hel i wodór lub chociażby powietrze.

Jako elementy spowalniające szybkie neutrony w reaktorach czyli moderatory stosuje się obecnie pręty grafitowe lub ciężką wodę. Jeśli w reaktorze stosowana jest ciężka woda wówczas występują najmniejsze straty neutronów.

Poza rdzeniem w skład reaktora wchodzą także reflektory neutronów. Powodują one, ze w centrum rdzenia zwiększa się strumień neutronów.

Kolejnym elementem każdego reaktora są wszelkiego rodzaju osłony. Mają one za zadanie zatrzymanie całego promieniowania w obrębie reaktora.

Można wyróżnić kilka typów reaktorów jądrowych . Jedną z grup reaktorów stanowi grupa reaktorów lekkich. Nazwa wzięła się stąd ,że w reaktorach tych jako moderator stosowana jest zwykła woda zamiast wody wzbogaconej w deuter. Do grupy reaktorów lekkich należy reaktor wodny wrzący. Energia wytworzona w reaktorze podczas reakcji rozszczepienia powoduje przekształcanie się wody w parę wodną. Do procesu tego dochodzi w zbiorniku ciśnieniowym. Ciśnienie powstałej pary to około 7MPa. Wykorzystywana jest ona do dostarczania energii do generatora. Energia ta jest niezbędna do generowania prądu elektrycznego. Wewnątrz zbiornika umieszcza się rdzeń, przez który przepuszczana jest woda. Woda ta ulega zamianie na parę wodną. Każdy rdzeń zbudowany jest z około 800 elementów paliwowych. Pojedyncze elementy obudowane są blaszanymi pojemnikami. Do wnętrza tych pojemników woda może się przedostać dzięki otworom wykonanym w dnie pojemnika. Woda , która przedostaje się do pojemnika ma kontakt z 64 prętami. Materiałem budulcowym tych prętów jest materiał rozszczepialny. Energia, która powstaje podczas procesu rozszczepiania jąder atomowych jest przekazywana wodzie.

Do grupy reaktorów lekkich należy także reaktor wodny ciśnieniowy. W odróżnieniu od poprzedniego w reaktorze tym nie dochodzi do wrzenia wody. Jest to możliwe dzięki ogromnemu ciśnieniu osiągającemu wartość około 15 MPa. W reaktorze tym wyróżnia się dwa obiegi wody: pierwotny i wtórny, które nie kontaktują się ze sobą. Efekt taki uzyskano dzięki zastosowaniu elementu konstrukcyjnego zwanego wytwornicą pary. W związku z przekazywaniem ciepła temperatura wody z obiegu pierwotnego spada z 330 do 290 stopni C. Po ochłodzeniu woda ta wraca do reaktora w celu ponownego nagrzania natomiast woda obiegu wtórnego, doprowadzona do wrzenia stanowi napęd turbiny w generatorze. W skład reaktora wodnego ciśnieniowego wchodzi w sumie 200 elementów paliwowych, z których każdy zawiera 300 prętów paliwowych z materiałem rozszczepialnym.

Innym rodzajem reaktora jądrowego jest tzw. reaktor prędki. Jako paliwo w tym reaktorze wykorzystuje się pluton 239, który jest otrzymywany bezpośrednio w reaktorze. Zachodzi w nim bowiem produkcja neutronów prędkich, które doprowadzają do pobudzenia reakcji rozszczepienia uranu 238. Niektóre z takich neutronów są przechwytywane przez inne atomy uranu i dochodzi do przekształcenia się ich w atomy plutonu 239. W reaktorze powstaje więcej atomów plutonu niż jest to konieczne. Ta nadmiarowa ilość jest odbierana z reaktora i może służyć np. do produkcji broni jądrowej. Inna nazwa tego reaktora to reaktor powielający.

Kolejnym rodzajem reaktora jest reaktor wysokotemperaturowy. Paliwem dla takiego reaktora oprócz zwyczajowo stosowanego uranu jest także izotop toru 232. Atomy toru pochłaniają neutrony i przekształcają się w atomy uranu 233. Paliwo jądrowe wykorzystywane w tym reaktorze ma postać małych kuleczek zatopionych w kulkach wykonanych z grafitu. Jak w każdym reaktorze grafit pełni funkcję moderatora. Energia cieplna powstała podczas pracy reaktora powoduje ogrzanie gazu do wysokiej temperatury. Gazem tym może być np. hel. Ogrzany gaz powoduje z kolei parowanie wody, która napędza turbiny.

Pierwszy reaktor jądrowy został zbudowany na terenie Stanów Zjednoczonych w roku 1942. Składał się z bloku wykonanego z grafitu. W jego skład wchodziły pręty wykonane z kadmu i uranu. Izotop uranu stanowił paliwo czyli materiał rozszczepialny. Natomiast pręty grafitowe miały za zadanie hamowanie neutronów, zaś kadm pochłaniał ich nadmiar.

Natomiast w roku 1951 w stanie Idaho podjęto pierwsze próby produkcji energii elektrycznej przy użyciu reaktora atomowego. Jednak to nie w Stanach Zjednoczonych powstały pierwsze elektrownie jądrowe, ale w byłym Związku Radzieckim, w Obnińsku. Było to w 1954 roku. W tym samym roku reaktor wykorzystano jako napęd łodzi podwodnej "Nautilus". Trzy lata później reaktor jądrowy posłużył jako napęd lodołamacza o nazwie "Lenin".

Na terenie Polski natomiast pierwszy reaktor uruchomiono w Świerku pod Warszawą. Jest to reaktor doświadczalny noszący imię "Ewa". Mieści się na terenie Instytutu Badań Jądrowych i obecnie jest już wygaszany. W Świerku powstał także drugi polski reaktor, "Maria" na cześć Marii Curie - Skłodowskiej. Miało to miejsce w roku 1974.