АЭС являются тепловыми станциями, использующими тепловую энергию ядерных реакций. Источник энергии на АЭС — ядерное топливо (уран, плутоний и др.), характеризующееся очень высокой теплотворной способностью.
Ядерная реакция, в результате которой высвобождается огромное количество тепловой энергии, происходит в специальных устройствах — ядерных реакторах, состоящих из активной зоны, отражателя, системы охлаждения, регулирования и контроля, корпуса и биологической защиты.
В каналах активной зоны помещается ядерное топливо в виде стержней, покрытых герметической оболочкой. Количество таких тепловыделяющих элементов (твэлов) может достигать нескольких тысяч.
Деление ядер урана происходит при бомбардировке их нейтронами. Продукты деления ядер имеют большую кинетическую энергию, которая почти полностью превращается в теплоту. Тепловая энергия используется для нагрева теплоносителя, омывающего рабочие каналы твэлов Принудительной циркуляцией. Теплоносителем может быть обычная вода, тяжелая вода, водяной пар, жидкие металлы, некоторые инертные газы.
Отражатель предназначен для возвращения в активную зону вылетающих нейтронов. Управление реактором осуществляется с помощью специальных стержней, которые вводятся в активную зону и изменяют поток нейтронов, а, следовательно, и интенсивность ядерной реакции. Корпус реактора имеет биологическую защиту, выполненную в виде толстого слоя бетона с внутренними каналами для отвода теплоты.
В зависимости от применяемых типов реакторов (водографитовых, водо-водяных, реакторов-размножителей) АЭС могут быть одно-, двух-и трехконтурными. В одноконтурных АЭС контуры теплоносителя и рабочего тела (пара) совпадают.
По назначению АЭС подразделяются:
• теплоэлектроцентрали (АТЭЦ). Предназначены для выработки тепловой энергии на отопление, горячее водоснабжение, а также электрической энергии;
• станции теплоснабжения (ACT). He имеют паротурбинной установки и генератора и являются источниками теплофикации жилых помещений и промышленных предприятий;
• станции промышленного теплоснабжения (АСПТ). Предназначены для снабжения промышленных предприятий технологическим паром и горячей водой. 
Перспективным в ядерной энергетике является разработка термоядерных электростанций, работа которых основана на управляемых реакциях синтеза ядер легких металлов (термоядерные реакции).
Значительный интерес при создании экономичных электростанций представляют методы непосредственного получения электроэнергии из тепловой. Такими методами являются магнитогидродинамические, термоэлектрические, термоэмиссионные.
Магнитогидродинамические методы основаны на законе электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике при перемещении его в магнитном поле возникает электродвижущая сила (ЭДС). Величина ЭДС пропорциональна скорости движения проводника, его длине и напряженности магнитного поля. Этот закон лежит в основе работы как электрогенератора, так и магнитогидродинамического (МГД) генератора. В МГД генераторах магнитное поле создается мощными электромагнитами, в качестве проводника используется поток ионизированного газа (плазмы). Плазма — это продукт сгорания топлива, обладающий температурой 2500…3500°С и электропроводностью. Для повышения электропроводности в плазму добавляются присадки.
В МГД генераторе в плазме, движущейся в магнитном поле со скоростью более 600 м/с, возникает ЭДС постоянного направления, которая отводится специальными электродами. Тепло от охлажденной до 2000 °С в канале МГД генератора плазмы может быть использовано в парогенераторе для получения пара и использования его для вращения турбины и генератора.
Использование МГД генератора совместно с паротурбинной установкой значительно повышает коэффициент полезного действия станции.
Термоэлектрические методы основаны на возможности получения термо-ЭДС при перепаде температур в спае металлов.
Термоэмиссионные методы основаны на явлении термоэлектронной эмиссии горячего катода.
