İçinde kontrollü bir zincirleme tepkime başlatılıp sürdürülebilecek biçimde düzenlenmiş aygıt. Reaktörde nötronlar, gamma ışınları, radyoaktif fisyon ürünleri ve ısı meydana gelir ve genellikle bunlardan yalnızca biri kullanılır. Nötronlar nükleer araştırma amacıyla ya da yararlı radyoizotopların elde edilmesinde, gamma ışınları insana zarar vermekle birlikte, değişik alanlarda ışınlama amacıyla kullanılabilirler. Isıdan ise bir dizi yüksek ısı gerektiren işlemde yararlanılabilir ya da bir akışkanı ısıtarak, örneğin suyu buharlaştırıp bununla buhar türbinlerinin çalıştırılması yoluyla elektrik enerjisi üretilebilir. Ticarî reaktörlerin çoğu bu amaçla yapılır. Nükleer reaktörle çalışan gemi ve denizaltılar, hatta yapay uydular da vardır.
Elektrik üreten bir reaktörde, yakıt olarak genellikle uranyum kullanılır. Tepkime sonucunda çıkan ısı, ağırsu ya da sıvı sodyum tarafından alınır ve bu da türbini çalıştıran suyu buharlaştırmaya yarar. Canlıları radyasyondan korumak için reaktör, beton bloklar vb. ile çevrelenir. Bir süre sonra reaktörde nötron soğurucu fisyon ürünlerinin oluşması nedeniyle daha tamamı tükenmeden yakıtın değiştirilmesi gerekir. Bu işlem, pahalı ve güç uzaktan kumanda işlemlerini gerektirir. Ancak "hızlı beslenen reaktörler"de bu sorun ortadan kaldırılmıştır.
Nükleer reaktörlerde enerji çıkışı fisyon tepkimesiyle gerçekleşir. Kütle sayısı 235 olan uranyum izotopu (235U), örneğin, kolayca bir nötron alıp 236U çekirdeğine dönüşür. Bu çekirdek ise, çok kararsızdır ve anında ikiye bölünür. Bu fisyon sırasında iki ya da üç nötron serbest kalır ve açığa çıkan enerjinin büyük bölümü bu nötronlarca ya da fisyon ürünlerince kinetik enerji olarak taşınır. Açığa çıkan toplam enerji atom başına 3x10-11 joule ya da kilogram başına 7,5x1013 joule'dur (oysa kömürün vereceği enerji kilogram başına 4x107 joule gibi bunun ancak 2 milyonda biri kadardır). Nükleer reaktörler birkaç çeşittir. Yakıt olarak saf uranyum (235U) ya da plutonyum (239Pu) kullanan bir reaktör, fisyonla elde edilen hızlı nötronlarla çalışır ve bu reaktörler "hızlı reaktör" adıyla anılır. Doğal uranyumda %0,7 oranında 235U bulunur. Bu yüzden, reaktörde serbest kalan nötronlar ikinci bir 235U çekirdeğinden önce büyük bir olasılıkla 238U atomlarına çarpar. Bunun olmaması için nötronlar yavaşlatılır ve bir 235U atomu bulma olasılıkları artırılmış olur. Böylece nötronların büyük bir bölümü 235U atomlarına çarparak yeni fisyonlara neden olur. Isıl (termal) reaktörlerde yakıt genellikle yavaşlatıcı madde içine gömülmüş ince çubuklar hâlindedir. Fisyon ürünü bir nötronun ince yakıt çubuğundan kaçıp yavaşlatıcı maddenin çekirdekleriyle çarpışmalar yaptıktan sonra yeniden bir yakıt çubuğuna girmesi olasılığı yüksektir. Yavaşlatıcı olarak genellikle saf grafit, ağırsu ya da normal su kullanılır. Reaktörden düzgün bir enerji çıkışı sağlamak için gerektiğinde "beyin" adı da verilen reaktör merkezine kontrol çubukları daldırılıp çıkarılır. Bunlar kadmiyum ve bor gibi kolay nötron soğuran maddelerden yapılır. Ayrıca herhangi bir tehlike anında ya da gerektiğinde tepkimeyi durdurmak için başka soğurucu çubuklar da daldırılır. "Hızlı beslenen reaktörler"de ise yavaşlatıcı kullanılmaz. Bu reaktörlerde 235U ile gerçekleşen fisyonların yanı sıra, nötron alan 238U atomlarının da plutonyum (239Pu) atomlarına dönüşmesi sağlanır. 239Pu fisyona uğrayabilen bir çekirdek olduğundan bu reaktörlerde yakıt kendi kendini zenginleştirebilmektedir.
