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由于同样质量的铀和煤相比，铀释放的能量要高出270多万倍，电能又是方便和干净的二次能源，因此人们利用核能首先想到的就是发电。第二次世界大战后建立核电站成为世界各国发展能源技术的重要目标之一。
核电站发电时靠强大的蒸汽来推动汽轮机发电，在这一点上同火电站没有什么区别。但提供热源的装置是不一样的。核电站的锅炉是原子锅炉，这其实就是核反应堆。反应堆中的铀裂变发出强大的能量，能加热锅炉中的水，产生大量的蒸汽。
原子反应堆的外表是一座强大的地下堡垒，反应堆的容器就坐落其中。大部分装置都安置在混凝土的厚墙之中。除了反应堆，为了发电还要有一些发电设备。现在流行的压水堆发电站主要有主泵、稳压器、蒸汽发生器、安全壳、汽轮发电机、危急冷却系统等。
具体地讲，在核反应堆中，要先将铀制成一定形状的燃料元件。通常是作成细棒状或套管状，而后将它们排成有规则的堆芯。堆芯多为圆柱状，并安置在一个坚固的钢制容器中。
在铀－235工作时，它在慢中子轰击下发生裂变，并释放中子。反应堆中的慢化剂可使中子的速度减慢（但不吸收），这些慢中子去碰撞其他铀核，使之发生裂变。所以，这种反应堆称作热中子反应堆。除了热中子反应堆，随着现代核技术的发展，快中子反应堆技术也逐渐发展起来。这种反应堆中不用慢化剂，用快中子打击铀核，并使之产生链式反应。反应堆中还设有控制棒，这是由吸收中子十分强烈的物质（如镉、硼等）构成的。提起控制棒，核反应速度会加快；插入控制棒，由于它吸收一些中子，就使核反应变缓。所以，控制棒起调节反应速度和输出功率的作用。
核裂变产生的热会不断加热冷却剂。冷却剂不断循环地流过核燃料元件外壁。冷却剂是流体的，它可以由气体（如氦气、二氧化碳气等）承担，也可以由液体（如水或液态钠等）承担。由于冷却剂是带有放射性的，它产生的蒸汽是不能直接用于推动汽轮机的叶片的。所以，被加热的冷却剂在热交换器中将热传递给另一个循环系统。在这个循环系统中，利用核反应产生的热再加热水，以产生水蒸汽，进而推动叶片，再带动汽轮机和发电机发电。
从经济上讲，核电的成本已低于火电，使用核电是很合算的。对于一座1000兆瓦的（压水堆）核电站，一年需要铀燃料30吨。而一座功率相同的火电站一年则要烧煤350万吨，需要1000列火车运输；每天还要运走烧剩下的上千吨灰渣；核电站占地也只是火电站的1/10—1/8。
当然，核电站的设计、建造和运转是一项综合性很强的系统工程，牵涉到多种学科和工业部门，反映着一个国家科学技术发展的水平。早在20世纪60年代，我国已研制成功原子弹、氢弹和核潜艇，并达到了一定的水平。20世纪80年代，我国又在民用核技术上进行了广泛的开发。特别是关于核电站的建设，我国老一辈核科学家提出自力更生建立核电站的主张。1991年12月15日，我国自行研究、设计和建造的位于浙江海盐城的秦山核电站并网发电，虽然只有300兆瓦，但从核电站的建设来看，我国已形成一个从核电站的设计、科学试验，核燃料开采、冶炼、加工制作，乏燃料处理，各种大型设备的加工制造，到电站的施工、安装、调试等完整的核电工业体系。
