核电站的工作原理与常规的火电站有很多相似之处，也有不少特殊的地方。
在常规的火电站中，主要设备是锅炉、汽轮机和发电机。当煤或燃油在锅炉的炉膛内熊熊燃料时，加热炉膛周围的传热管，使在传热管内流动的水产生出高压蒸汽。蒸汽汇集后通过管道送往汽轮机。汽轮机是一种转动机械，它有一根装有很多级叶轮的主轴。当高压蒸汽喷到叶轮的叶片上时，叶轮就带动主轴，像风车似地高速转动。汽轮机主轴和发电机的主轴相连，使发电机转子跟着转动，在发电机定子内就会产生出电流。此后，依靠输电线就可将电能输送到需要它的任何地方去。在汽轮机内作功的蒸汽流过各级叶轮时，其压力和温度逐渐下降，成为废汽。把废汽再凝结成水，送回到锅炉的传热管内，重新产生新的蒸汽，完成汽——水的循环过程。
核电站和火电站的不同之处是：在核电站里，反应堆代替了锅炉，核燃料代替了煤和油。利用反应堆内核燃料裂变放出的热量来产生蒸汽，然后推动汽轮发电机组，发出强大的电力。因此，核电站的反应堆有时也称作“原子锅炉”。
用原子锅炉向汽轮机供汽有两种方式。一种是在反应堆内直接产生蒸汽送往汽轮机，蒸汽在汽轮机内作功后冷凝，收集的凝结水又送回反应堆，这种汽——水循环的方式几乎与火电站完全一样，比较简单。
另外一种方式是利用某种循环流动的冷却剂，将热量从反应堆内带出来，然后进入一个热交换器，将热量传递给第二个回路。这个热交换器叫做蒸汽发生器，在那里产生蒸汽，送往汽轮机。这种供汽方式显然要麻烦一些，因为多了一个换热设备。然而，核电站设计人员舍简就繁不是没有道理的，这是由核电站的特殊性决定的。因为当反应堆的冷却剂回路（又称一回路）和汽轮机的汽——水循环回路（又称二回路）之间，有传热面隔开而互不相通时，可以防止反应堆回路内的放射性进入汽轮机的汽——水系统。
蒸汽发生器尽管核电站采用不同类型的反应堆，但任何反应堆都有一些必不可少的组成部分。反应堆内最核心、最贵重的部分是堆芯，它是由核燃料、慢化剂、冷却剂和各种结构材料组成的。
现在普遍使用的核燃料是天然铀和低浓铀，做成金属块或陶瓷块的形式。它们在堆芯内“燃烧”时，既不冒烟，也不发火。重元素在受控情况下的裂变过程是静悄悄地进行的。当原子核大批大批地发生裂变时，裂变碎片的动能使燃料块本身开始强烈地发热，有点像通上大电流的电阻元件。这时就要依靠冷却剂及时地从堆芯导出热量。在现代的大功率动力反应堆的堆芯内，每单位体积释放的能量，要比火电站中锅炉炉膛内的容积热强度大好几百倍，因此必须精确地组织堆芯内冷却剂的流动，尽快地将热量带出来。
铀原子核分裂时并不严格对称，它以40多种不同的方式进行分裂。因此，直接由裂变而生成的新核素有80多种。它们中大部分具有放射性，会继续衰变而成为其他核素。如果把间接的衰变产物也计算在一起，裂变产物就多达200余种。
裂变产物衰变过程中要放出衰变能量，它在链式反应停止以后还会延续相当长的时间。在大型动力反应堆中，衰变热的数量很大。普通火电站停止运行时，只要停止供煤或供油，把火灭掉就可以；而核电站，则在反应停止以后，还要为它的剩余衰变热而进行认真操作，及时导出堆芯内不断产生的热量，以防止堆芯因温度上升而烧毁。这是核电站运行中与火电站大不相同的地方。
为实现链式反应，在动力反应堆内采用的慢化剂、冷却剂、结构材料，都要尽量选用不吸收或很少吸收中子的材料。在堆芯的周围，包有一反射层，目的是把逃出堆芯的中子重新反射到堆芯内，以提高中子的利用率。反射层也是由很少吸收中子的材料组成的。
反应堆中另一必不可少的组成部分，是反应性控制机构，这套机构都用能强烈吸收中子的材料制成。工程师们将这两类性质截然不同的材料，巧妙地组合在一起，构成一个矛盾的统一体，这才实现了可控的链式裂变反应。我们已经知道，当一个中子击中铀核，使其裂变时会放出2～3个中子，这些中子再击中2～3个铀核时，会放出4～9个中子。这种几何级数的增长如果不加以控制，就变成了原子弹的爆炸过程。当然，在动力反应堆中，决不允许发生原子爆炸，因此在绝大多数情况下，要求把中子增殖系数K维持在1的数值上，只有当需要改变输出功率时，才允许K稍稍发生一些偏离。允许有多大的偏离呢？偏离后中子增长有多快呢？在这里我们又将看到核电站与火电站的根本差别之处。
在火电站的锅炉中，要提高蒸汽产量，只要多加燃料，并调节好燃料所需的空气量就可以了。而在核电站的“原子锅炉”中，必须调节的是中子的数量。
对调节中子数量，大家开始时不免有些担心。要知道，中子从产生开始，经过慢化和扩散，到引起裂变，所需的时间极短，它的平均寿命总共只有万分之一秒。这也就是说，在1秒钟内中子能繁殖1000次！就算K=1.001，经过1秒钟，中子的数目也会猛增千百倍。反应堆的功率完全取决于堆芯内工作的中子数，因此功率也会猛增千百倍。要将K控制在小数点以后第三位，并在1秒钟内及时进行调整，这是一件多么不容易的事啊！如果不是物理学家对中子释放的特性事先作过透彻的研究，恐怕谁也不敢贸然去启动这样迅猛的反应。
使大家感到庆幸的是，经研究发现，中子并非全都是在裂变的瞬间产生的，而是有先有后。大部分中子在裂变后10-14秒就放出来了。它们被称为瞬发中子，约占总数的0.65％，是在裂变产物进行β衰变时产生的，这部分中子称为缓发中子，按它们缓发的时间，一般可划分为6组，各组平均寿命从0.33秒到80.6秒不等。把缓发中子也算在内，反应堆内中子的平均寿命增加了800余倍，也就是说功率增长的速度降低了800余倍。正是由于这个原因，工程师们才有较充裕的时间，能利用各种机构对中子的数目进行及时的调整。
然而应当注意，在任何情况下，必须使K不超过1.0065。超过这个数值，单是瞬发中子的作用，就可使中子急剧增殖，这时反应堆所处的状态称为瞬发临界状态。当出现瞬发临界时，机械式的控制机构跟不上中子增殖的速度，反应堆功率就会失控。
为了防止功率变化过快，任何的反应堆中除了有正常运行中调整反应性的控制机构以外，还有一套十分精巧和灵敏的反应堆保护装置。当功率变化过快时，它会自动起作用，使核反应立即终止。