核能发电本质是能量转换过程：核裂变能→热能→机械能→电能。铀作为核燃料在反应堆内发生裂变链式反应，产生核裂变能。目前核能发电主要是利用铀-235 作为燃料，当一个铀-235 的原子核受到热中子轰击，原子核吸收中子，由于其内部结构不稳定，分裂成两个或多个较小的原子核并释放出 2-3 个中子。核裂变产生的中子将撞击周围其他铀-235 原子，这些铀-235 原子也将以倍增效应分裂并产生额外的中子，从而产生链式反应。在裂变过程中，中子慢化剂用于降低裂变中子的运动速度，使快中子变为热中子，增加与原子核碰撞的机会从而有效地进行可控链式反应。核裂变能通过加热冷却剂，在蒸汽发生机内产生蒸汽，核裂变能转化为热能，蒸汽热能转化为机械能推动汽轮机运转，汽轮机带动发电机旋转，最终机械能转化为电能产生电力。 核电堆型种类较多，目前技术成熟且投入商运的有压水堆、沸水堆、重水堆等。冷却剂和慢化剂为水的主要是轻水堆，轻水堆主要包括压水堆、沸水堆。沸水堆主要是在压水堆基础上简单派生出来，它通过降低压力，使水在堆芯沸腾后直接生成蒸汽，经过汽水分离，直接用于推动汽轮机发电，故只有一个回路。重水堆是使用重水（重氢和氧形成的水）做冷却剂和中子慢化剂，可直接采用天然铀或略浓缩的金属铀做燃料。快中子堆没有慢化剂，使用快中子（中子平均能量约 0.5MeV 以上，比热中子反应堆内约 0.007eV 的电子能量大得多）引发裂变，快中子在引发裂变后还有较多的剩余，可用来使不易裂变的铀-238 裂变为优质燃料钚-239。另外，核电站按照堆型的用途可分为动力堆、生产堆、研发堆、特殊用途堆等。 核电技术已从第一代发展至第四代，甚至第五代也已被提出。从核电站技术演变来看，主要可划分四代核电技术。第一代是实验性的核电站，主要是为了通过试验示范形式来验证其核电在工程实施上的可行性，目前已基本退役；第二代核电技术具有标准化、系列化、批量化的特点，安全性、经济性均提高，但应对严重事故的能力仍薄弱；第三代核电技术是主流，安全性更高，建造周期缩短，寿命延长,目前我国新建均为三代机型，正在逐步取缔二代+机组成为主力，2021 年 9 月，世界首个钍核反应堆在甘肃成功运行，中国或将于 2030 年前建造一个为 10 万居民提供电力的 373 兆瓦钍核反应堆；第四代仍在发展阶段，预计 2030 年左右推出解决核能经济性、安全性、可持续性、废物处理和防止核扩散问题的核能系统；第五代核能系统是一种“核能协同网络”的概念，具有系统性、灵活性和多能性三大特点。