กระแสไฟฟ้าที่ผลิตจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อน มีหลักการคือ ใช้เชื้อเพลิง ต้มน้ำให้เดือดกลายเป็นไอน้ำ แล้วส่งไอน้ำไปหมุนกังหันไอน้ำ ซึ่งเชื่อมต่อเพลาอยู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หลังจากปรับแรงดันไฟฟ้าให้เหมาะสม ก็ส่งกระแสไฟฟ้าไปตามสายส่ง เพื่อใช้งานตามบ้านเรือน สำนักงาน และโรงงานอุตสาหกรรมต่อไป เชื้อเพลิงที่ใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้ามีอยู่หลายชนิด ได้แก่ น้ำมัน ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ และธาตุยูเรเนียม

            โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เป็นโรงไฟฟ้าพลังความร้อนชนิดหนึ่ง โดยเป็นความร้อน ที่เกิดจากปฏิกิริยาแตกตัวทางนิวเคลียร์อย่างต่อเนื่อง หรือเรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ นิวเคลียร์ ซึ่งเกิดจากการใช้อนุภาคนิวตรอน วิ่งชนนิวเคลียสของเชื้อเพลิง (ธาตุยูเรเนียม) ให้แตก และเกิดความร้อน จากนั้น จึงถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้น ให้น้ำกลายเป็นไอน้ำ เพื่อไปหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โรงไฟฟ้านิวเคลียร์มีหลายแบบ ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ในปัจจุบันมี ๓ แบบ ได้แก่ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบปฏิกรณ์ความดันสูง โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบปฏิกรณ์น้ำเดือด และโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบแคนดู

ส่วนสำคัญของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์คือ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งปฏิกิริยาแตกตัวทางนิวเคลียร์จะเกิดขึ้นอยู่ภายในถังปฏิกรณ์ เพื่อผลิตความร้อน แล้วใช้สารระบายความร้อน (น้ำหรือน้ำมวลหนัก) ถ่ายเทออกไป เพื่อผลิตไอน้ำส่งเข้าระบบกังหันไอน้ำให้หมุน และพาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนตาม ทำการผลิตไฟฟ้าออกมาใช้งาน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะมีสารหน่วงนิวตรอน (น้ำ หรือน้ำมวลหนัก หรือแกรไฟต์) เพื่อลดพลังงานของนิวตรอน ที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาแตกตัว ซึ่งมีพลังงานสูงมาก ให้เป็นนิวตรอนที่มีพลังงานต่ำลง ทั้งนี้เพื่อให้นิวตรอนทำปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ต่อไปอย่างเต็มที่ และต่อเนื่อง

            นอกจากนี้ ต้องมีแท่งควบคุม ซึ่งทำด้วยสารที่ดูดจับนิวตรอนได้ดี ทำหน้าที่ควบคุมการเกิดปฏิกิริยาแตกตัวให้เพิ่มขึ้น คงที่ ลดลง หรือหยุดการเดินเครื่อง แท่งควบคุมนี้ สามารถดำเนินการได้โดยอัตโนมัติ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เน้นหนักในเรื่องความปลอดภัยมาก จึงได้รับการออกแบบ ให้มีระบบความปลอดภัยหลายระบบ เพื่อป้องกัน และรองรับอุบัติเหตุ ที่อาจเกิดขึ้นได้ โดยยึดหลักการป้องกันหลายชั้น การดำเนินงานเรื่องโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ต้องเป็นไปตามหลักเกณฑ์ ของทบวงการพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ แห่งสหประชาชาติ นับตั้งแต่การเลือกสถานที่ตั้ง การออกแบบ การก่อสร้าง และการทดสอบการเดินเครื่อง การบำรุงรักษา จนกระทั่งการเปลี่ยนเชื้อเพลิง

            เชื้อเพลิงที่ใช้ในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนมาก ผลิตจากแร่ยูเรเนียม ซึ่งมีธาตุที่สามารถแตกตัวได้ผสมอยู่ เช่น ยูเรเนียม-๒๓๘ ยูเรเนียม-๒๓๕ และบางกรณีอาจใช้พลูโตเนียม-๒๓๙ ธาตุที่นิยมใช้มากที่สุดคือ ยูเรเนียม-๒๓๕ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบแคนดูสามารถใช้ธาตุยูเรเนียมจากธรรมชาติมาผลิตเป็นเชื้อเพลิงได้ แต่ต้องเปลี่ยนเชื้อเพลิงบ่อยมากทุกวัน หรือทุกสัปดาห์ ส่วนโรงไฟฟ้านิวเคลียร์แบบปฏิกรณ์ความดันสูง และแบบปฏิกรณ์น้ำเดือดนั้น ต้องนำธาตุยูเรเนียมธรรมชาติซึ่งมีส่วนผสมของธาตุที่แตกตัวได้ (ยูเรเนียม-๒๓๕) ประมาณร้อยละ ๐.๗ มาผ่านกระบวนการเพิ่มสัดส่วนให้ได้ความเข้มข้นเพิ่มขึ้นเป็นร้อยละ ๒.๘ - ๓.๒ แล้วแปลงสภาพให้เป็นเม็ดรูปทรงกระบอก ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ๐.๘ เซนติเมตร และยาว ๑.๕ เซนติเมตร นำไปบรรจุเรียงกันในแท่งโลหะ แล้วมัดรวมกันเป็นมัดเชื้อเพลิงเพื่อนำไปใช้งาน ประมาณ ๑๒ - ๑๘ เดือน จึงเปลี่ยนเชื้อเพลิง เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วยังสามารถนำมาสกัดเอาธาตุยูเรเนียม-๒๓๕ ที่เหลือเพื่อทำเป็นเม็ดเชื้อเพลิงนำมาใช้ใหม่ได้อีก

            เชื้อเพลิงที่ใช้แล้วยังไม่ถือว่า เป็นกากอย่างแท้จริง เพราะมีธาตุที่มีค่าเกิดขึ้นปนอยู่ภายในเม็ดเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว ซึ่งประกอบด้วยไอโซโทปของธาตุต่างๆ เกือบ ๒๐๐ ชนิด เชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว โดยปกติจะเก็บอยู่ในรูปของมัดเชื้อเพลิง และนำไปบรรจุอยู่ในที่เก็บซึ่งแช่อยู่ในบ่อน้ำภายในโรงไฟฟ้า มีพื้นที่ประมาณสระว่ายน้ำมาตรฐานทั่วๆ ไป โดยสามารถเก็บเชื้อเพลิงจากการใช้งานได้นานตลอดอายุการใช้งานโรงไฟฟ้า เพื่อรอการตัดสินใจในนโยบายขั้นสุดท้ายว่า จะนำกลับมาใช้ประโยชน์ใหม่ หรือฝังเก็บถาวร

            ในบางประเทศมีนโยบายสกัดเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว นำกลับมาใช้งานอีกครั้ง ดังนั้น หลังจากมัดเชื้อเพลิงถูกแช่ในบ่อน้ำไม่ต่ำกว่า ๒ ปี จะถูกนำขึ้นมาบรรจุถัง เพื่อลำเลียงไปยังโรงงานสกัดเชื้อเพลิง สำหรับประเทศที่มีนโยบายฝังเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วแบบถาวร ถังบรรจุมัดเชื้อเพลิงจะถูกนำไปฝังเก็บอย่างถาวร ในลักษณะเดียวกับกากกัมมันตรังสีระดับสูง กากกัมมันตรังสีในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เกิดจากการทำงานในส่วนต่างๆ ของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ โดยทางตรงจะเกี่ยวข้องกับระบบปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เช่น ไส้กรองสารรังสี น้ำล้างทำความสะอาดโรงไฟฟ้า และเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว ส่วนทางอ้อม ได้แก่ ถุงมือ และเสื้อผ้าของผู้ปฏิบัติงาน การจัดการกากกัมมันตรังสีจากโรงงานสกัดเชื้อเพลิงมีหลายวิธี โดยขึ้นอยู่กับระดับ ความแรงของรังสี สำหรับเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว จากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์

            เมื่อนำไปสกัดท่อหุ้มมัดเชื้อเพลิงออกแล้ว จะได้รับการจัดการเช่นเดียวกับกากอื่นๆ จากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ส่วนกากที่ได้จากการสกัดแยกยูเรนียม และพลูโตเนียมออกแล้ว ถือเป็นกากกัมมันตรังสีระดับสูง ซึ่งจะนำไปผสมรวมตัวกับแก้วหลอมชนิดพิเศษ (บอโรซิลิเคต) ให้เป็นเนื้อเดียวกัน แล้วบรรจุกากนี้ลงในถัง และนำไปจัดเก็บในสถานที่ที่ได้จัดเตรียมไว้ต่อไป การเก็บกากกัมมันตรังสีระดับสูงที่เหมาะสม และได้รับความนิยมว่า มีความปลอดภัยที่สุดในปัจจุบันคือ การฝังลงในชั้นหินแข็ง เช่น หินแกรนิต หรือหินชนิดอื่นที่มีความแข็งใกล้เคียงกัน มีความลึกจากระดับผิวดินกว่า ๕๐๐ เมตรขึ้นไป ขึ้นอยู่กับความลึกของชั้นหินแข็งในแต่ละสถานที่นั้น