Захисна оболонка реактора — герметичний корпус із товстого шару бетону та відбивача нейтронів. Оскільки ядерний реактор — потужне джерело нейтронів і γ-променів, у ньому передбачено радіаційний захист. Теплоносієм у ядерному реакторі є вода, яку насосом закачують у зону реакції. Крім води, у різних реакторах як теплоносій і охолоджувач можуть застосовувати розплави або сплави металів: натрій, свинець, сплав свинцю з вісмутом та ін. Використання таких теплоносіїв дає змогу спростити конструкцію оболонки активної зони реактора. Крім того, на відміну від водяного контуру, тиск у контурі з розплавами або сплавами металів не перевищує атмосферний.
Радіоактивна вода з першого контуру, виходячи із зони реакції, нагріває воду в другому контурі. Вода в другому контурі випаровується, пара під високим тиском обертає турбіну, що своєю чергою обертає генератор електроенергії. Відпрацьована пара збирається в конденсаторі та перетворюється на воду. Одержана гаряча вода охолоджується проточною водою з водойми. Охолоджена вода, циркулюючи в контурі, знову нагрівається водою з першого контуру, випаровується й падає на турбіну, тобто процес повторюється. Щоб уникнути витоку радіації, контури першого та другого теплоносіїв замкнені.
Турбіна атомної електростанції — теплова машина, що визначає загальну ефективність електростанції. ККД сучасних атомних електростанцій становить близько 30%. Багато енергії забирає вода третього контуру, що охолоджує конденсатор. Це призводить до перегрівання водойми та до виникнення екологічних проблем. До того ж існує загроза витоку радіації.
Перший ядерний реактор було побудовано в США 1942 року під керівництвом італійського фізика Енріко Фермі. 12 лютого 1960 року в Інституті ядерних досліджень НАН (м. Київ) було запущено перший дослідний ядерний реактор ВВР-М. До 1978 року у світі працювало вже близько 100 ядерних реакторів різних типів.
Першу атомну електростанцію світу споруджено 1954 року в м. Обнінськ (Калузька область). Нині ця АЕС не працює, у ній було відкрито музей історії розвитку атомної енергетики.
Крім атомних електростанцій, ядерні реактори використовують, наприклад, на атомних підводних човнах. Перший підводний човен «Наутилус» побудовано 1954 року в США.
В Україні діє чотири атомні електростанції: Запорізька, Рівненська, Хмельницька, Південноукраїнська. На цих АЕС працює 15 енергоблоків, загальна потужність яких становить 13 580 МВт. Атомні електростанції виробляють приблизно половину всієї електроенергії України. Тільки Запорізька АЕС мала власне сховище для відпрацьованих ТВЕЛів, решта АЕС вивозили відпрацьовані ТВЕЛи на утилізацію та подальше зберігання за межі України.
Улітку 2019 року на території Чорнобильської АЕС почав працювати завод із переробки радіоактивних відходів. Після переробки радіоактивні залишки зберігають у спеціальному сховищі для твердих відходів у тридцятикілометровій зоні відчуження. Спираючись на досвід Швеції, в Україні розробляють проєкт зберігання радіоактивних відходів та високотоксичних речовин у глибоких шахтах.
Катастрофа на Чорнобильській АЕС (3 км від м. Прип’ять, 18 км від м. Чорнобиль, 83 км від м. Київ), що сталася 26 квітня 1986 року, призвела до найбільшого у світі радіаційного забруднення території. Перед плановою зупинкою четвертого енергоблоку на ремонт працівники АЕС проводили випробування обладнання — як регламентні, так і нестандартні. Причина аварії — грубі помилки персоналу, порушення правил та регламентів експлуатації реактора, відключення технологічних систем захисту, що могли б зупинити реактор. Найстрашніше було те, що в перші дні після аварії керівництво АЕС замовчувало факт катастрофи.
Радіоактивна хмара поширилася на значні території, радіацію зафіксували навіть у європейських країнах. Лише через 36 годин після аварії, оцінивши масштаби радіаційного забруднення, засоби масової інформації повідомили про вибух реактора четвертого енергоблоку — і розпочалася евакуація населення спочатку десятикілометрової, а потім тридцятикілометрової зони. Дещо пізніше в Києві та інших містах відбулися травневі демонстрації, масові гуляння, хоча люди навіть не підозрювали про небезпеку.
ЧАЕС назавжди зупинили 15 грудня 2000 року. Над зруйнованим четвертим енергоблоком було збудовано саркофаг, щоб припинити радіаційне забруднення довкілля. Але із часом у ньому з’явилися тріщини, крізь які просочувалася радіація. Новий установлений металевий саркофаг масою 36 т та висотою 110 м насунули на зруйнований реактор по рейках за допомогою 224 гідравлічних домкратів. Цю конструкцію розроблено французькими спеціалістами. Кошти на її спорудження (1,5 млрд євро) надали міжнародні організації. Нове укриття вирішить проблему захисту довкілля від радіації на найближчі 100 років.
