Las centrales nucleares utilizan la conversión de agua en vapor para generar energía eléctrica, pero el combustible lo constituyen una serie de elementos de material radiactivo que realizan una reacción de fisión en cadena. La caldera se denomina entonces reactor. El combustible que se encuentra en el reactor, está formado de una mezcla de isótopos fértiles y fisibles, entre los que se encuentran 233U, 235U, 238U y 239Pu.

En la fusión de cada núcleo se producen, además de energía, una cantidad variable de neutrones, generalmente dos o tres, que impactan en nuevos núcleos y producen la reacción en cadena. A fin de que esta reacción tenga lugar de forma pausada e impedir la incontrolada explosión del reactor es necesario introducir, entre el combustible nuclear, una serie de elementos llamados controladores que absorban parte de los neutrones generados. Así, el reactor consta de una serie de barras de combustible entre las cuales se sitúan las barras de control, que con su mayor o menor introducción permiten o impiden la reacción en cadena. Suelen estar hechas de una aleación de cadmio con plata.

En los reactores nucleares rápidos se utilizan neutrones con la misma energía con la que son liberados en los procesos de fisión. En los reactores térmicos es necesario moderar los neutrones, y reducir su velocidad a fin de generar nuevas fisiones, lo que se consigue haciendo chocar los neutrones con sustancias de pequeño núcleo que presenten una pequeña sección eficaz de captura neutrónica (que emitan rápidamente el neutrón capturado). Estas sustancias, llamadas moderadoras, suelen ser agua, agua pesada, grafito y berilio.

El núcleo del reactor se encuentra contenido en un recipiente de acero de unos 4 metros de diámetro y más de 12 metros de altura, llamado vasija. Para extraer el calor y transportarlo al grupo turboalternador se utiliza un fluido refrigerante, contenido en un circuito cerrado llamado primario. Los refrigerantes más utilizados son el agua ligera, el agua pesada, el sodio, el litio y el potasio de entre los líquidos, y el nitrógeno, el helio, el hidrógeno y el dióxido de carbono entre los gaseosos.

La vasija y el circuito primario se encuentran contenidos en el edificio de contención, que posee muros de hormigón de gran espesor para absorber la radiación producida. En otros edificios afines se realizan la manipulaciones de combustible, donde se encuentran las piscinas dentro de las cuales se guarda el material ya utilizado para su posterior reprocesamiento o traslado definitivo el tiempo necesario para reducir su actividad de forma sustancial. En un edificio aparte se encuentran los grupos turboalternadores, que si se encuentran en contacto con elementos radiactivos debe estar protegido. Otro edificio alberga los equipos de extinción de incendios y los sistemas de emergencia en el caso de avería. Por último, la central debe disponer de un grupo electrógeno propio, generalmente un equipo diesel, a utilizar en caso de caída de tensión en la red eléctrica.