世界上第一座正式向居民提供电力的核电站，是前苏联建造的。它是一座压力管式的石墨水冷反应堆，于1954年6月27日在莫斯科近郊奥勃宁斯克镇投入运行。它的热功率为3万千瓦，电功率为5000千瓦，发电效率只有16.6％，在经济上与常规火电站相比差得很远。但它是人类把核能用于和平目的的第一个成功例子。
这个核电站用石墨作慢化剂。石墨是碳的一种六角形片状结晶。大家熟悉的铅笔芯，就是用它加上黏土制成的。天然石墨中含有很多杂质，不能用于核工业。核反应堆中使用的石墨慢化剂是人工制造的，它用石油焦或煤沥青焦作为原料，经过焙烧、提纯等多道工序，以保证它具有良好的慢化性能，并且很少吸收中子。这种高纯度的石墨，被切割成对角线为137毫米的正六角形柱块，堆砌在一起，形成一个直径为3米，高度为4.5米的石墨砌体。这个砌体的中心部分为堆芯，堆芯的直径为1.5米，高度与人的身高差不多，为1.7米。
这座反应堆的核燃料，是外包不锈钢的低浓铀，它套在直径很小的冷却管外面，四根冷却管组成一根工艺管，垂直地插在石墨堆芯的孔道内。整个堆芯一共插有128根工艺管，另外还插有22根控制棒。为了防止石墨氧化，用碳钢的外壳将石墨砌体密封起来，中间充有氦气。
这第一座核电站建成以后，专家们便用它作为试验基地，开展大量的研究工作。稳定运行了一段时间以后，核动力专家和电站运行人员紧密配合，大胆而沉着地使工艺冷却管内的冷却剂一根接一根地发生了沸腾，为实现大功率石墨沸水堆开辟了光辉的前景。
20世纪60年代，苏联在别洛雅斯克又建成了两座压力管式石墨水冷反应堆，工艺管的数目从128根增加到998根。每根工艺管内的冷却管燃料元件，也从原来的4根增加到6根，而且让冷却水在堆内沸腾，产生的蒸汽在堆内过热。使供汽的温度和压力，完全能与常规火电站中使用的高压汽轮机相匹配。每台反应堆带两台汽轮发电机组，发电能力达到20万千瓦。
20世纪70年代，苏联在列宁格勒建造了百万千瓦级的大功率石墨沸水堆。这种反应堆堆芯的直径为11.8米，高为7米，由2488根石墨方柱构成，其中布置1693根带燃料元件的工艺管，功率达到了100万千瓦。它可以在不停堆的情况下，更换工艺管和与其组合在一起的核燃料，因此，大大提高了核电站有效利用的时间。这种核电站，成为苏联发展核电的基本堆型之一，此后，在全苏各地陆续建成了15套这样的核电装置。
专家们还打算建造更加巨型的石墨沸水堆PEN。随着反应堆尺寸的增大，结构上也将作相应的改变。整个堆芯分成很多块，每块又分成好几段。这种小的组件可以在工厂里进行预制，然后以标准化构件的形式，通过铁路运输到现场，进行组合安装。当反应堆体积十分庞大时，表面积对中子逃逸的影响就显得不那么重要了。因此，将用方形的堆芯来代替传统的圆柱形堆芯。这时，只要不断增加预制块的数目，就可不受限制地增大反应堆的功率。沿着这条技术路线发展核电，在单堆功率方面，可有较大把握创造出“世界之最”来。
然而，这种反应堆也有一些缺点。由于每根工艺管都是一个单独的核能传输单元，因此都要单独地监测和控制其运行情况，包括温度、流量、放射性剂量等等，这就使得仪表成群，信号成片，管道系统十分庞大，电站的造价便提高了。只有当功率超过100万千瓦，可以大量采用标准化设计和工厂组装技术时，才能使电站的建造成本降低。