เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ถือเป็นหัวใจสำคัญของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เพราะเป็นแหล่งกำเนิดความร้อนที่ใช้ผลิตไอน้ำเพื่อนำไปผลิตไฟฟ้าต่อไป ส่วนประกอบสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์ ได้แก่ ถังปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งบรรจุต้นกำเนิดนิวตรอน มัดเชื้อเพลิง ชุดแท่งควบคุม ช่องทางน้ำเข้าออก และอุปกรณ์/เครื่องมือวัดทางนิวเคลียร์
พลังงานความร้อนที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์นั้น เกิดจากการทำปฏิกิริยาแตกตัวระหว่างนิวตรอนกับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ โดยมีหลักการทำปฏิกิริยาดังนี้คือ อนุภาคนิวตรอนพลังงานต่ำที่ ๐.๐๒๕ อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ที่ความเร็ว ๒,๒๐๐ เมตร/วินาที วิ่งชนนิวเคลียสของธาตุหนัก (เชื้อเพลิง) ที่สามารถแตกตัวได้ เช่น ยูเรเนียม-๒๓๕ เมื่อนิวเคลียสแตกออกเป็น ๒ ส่วน จะปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปกัมมันตรังสี ความร้อน ฯลฯ ซึ่งผลของการชนดังกล่าวทำให้นิวตรอนซึ่งอยู่ในนิวเคลียสหลุดกระเด็นออกมา ๒-๓ ตัว ต่อการชน ๑ ครั้ง
นิวตรอน ๒-๓ ตัวดังกล่าวนี้ เริ่มแรกจะมีพลังงานสูง และเมื่อเคลื่อนที่ผ่านสารหน่วงนิวตรอน (เช่น น้ำ แกรไฟต์) จะทำให้พลังงานและความเร็วลดต่ำลง กลายเป็นนิวตรอนพลังงานกลาง และพลังงานต่ำตามลำดับ นิวตรอนเหล่านี้จะถูกดูดจับและสูญหายไปบางส่วน สำหรับนิวตรอนพลังงานต่ำที่หลุดรอดจากการถูกดูดจับ ก็จะวิ่งชนนิวเคลียสของเชื้อเพลิงที่แวดล้อม ทำให้เกิดปฏิกิริยาแตกตัวต่อไปได้อีกอย่างต่อเนื่อง ลักษณะการเกิดปฏิกิริยาแตกตัวนี้เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ (nuclear fission chain reaction) ความร้อนที่เกิดจะแปรผันโดยตรงกับจำนวนปฏิกิริยาแตกตัวแต่ละครั้ง ซึ่งแปรผันโดยตรงกับปริมาณนิวตรอน และจำนวนนิวเคลียสของเชื้อเพลิง
