A l'origine de l'énergie nucléaire se trouve la découverte de la fission, en 1939 : un noyau d'atome d'uranium peut, après avoir absorbé un neutron, se casser en deux fragments. Au cours de cette fission, l'énergie qui maintenait ensemble les différents morceaux se transforme en chaleur. L'établissement d'une réaction en chaîne, c'est-à-dire de fissions successives, permet de produire de manière continue etcontrôlée la rupture des noyaux d'uranium dans les centrales nucléaires.

La réaction en chaîne :

Lorsqu'un noyau d'uranium absorbe un neutron, il se casse généralement en deux morceaux ; de plus deux ou trois neutrons sont émis au cours de cette fission. Chacun de ces nouveaux neutrons provoque à son tour une fission, et ainsi de suite : on obtient une réaction en chaîne.

Le modérateur :

Les neutrons libérés par la fission sont trop rapides pour que les noyaux d'uranium puissent les absorber. On emploie donc un modérateur qui ralentit ces neutrons : de l'eau, du graphite, du béryllium... En traversant ces matériaux, les neutrons rebondissent sur les noyaux qu'ils y rencontrent et perdent ainsi de la vitesse.

La constitution d'un réacteur :

Le coeur d'un réacteur, région où se produisent les réactions de fission, est isolé par un blindage. Il est traversé par un circuit, également isolé, dans lequel circule un fluide porteur de chaleur, dit caloporteur : un gaz (gaz carbonique, hélium) ou un liquide (eau, sodium fondu). Ce fluide récupère la chaleur dégagée par la fission et produit de la vapeur dans un autre circuit qui actionne les turbo-alternateurs.

Le contrôle du réacteur :

Des barres, généralement en graphite, matériau qui absorbe facilement les neutrons, peuvent-être déplacées au sein de la masse d'uranium. En introduisant ce modérateur dans le coeur du réacteur, on diminue ou on augmente le nombre de neutrons pouvant provoquer des fissions : la réaction en chaîne peut-être ainsi ralentie, accélérée ou arrêtée. 

Les filières :

On distingue les différents réacteurs selon les matériaux choisis pour le modérateur et le fluide caloporteur. On parle alors de "filière", chaque filière définissant un type de réacteur. La filière "graphite-gaz", par exemple, signifie graphite comme modérateur et un gaz, généralement du gaz carbonique, comme fluide caloporteur.

 Les surgénérateurs :

Dans un réacteur, tout l'uranium ne subit pas une fission : certains noyaux, au lieu de se briser, se transforment en plutonium. Ce dernier peut aussi subir une fission ; mais celle-ci ne se produit qu'avec des neutrons plus rapides. Dans les surgénérateurs, l'uranium est progressivement remplacé par du plutonium que l'on utilise à son tour comme combustible.