可控的核反应不同，核反应堆能控制核反应的反应速率。对于裂变核燃料，当今一些国家已经形成了相当成熟的核燃料循环，包含对核矿石的开采、提炼、浓缩、利用和最终处置。大多数裂变核燃料包含重裂变元素，最常见的是铀-235（U）和钚-239（Pu）。这些元素能发生核裂变从而释放能量。例如，铀-235能够通过吸收一个慢中子（亦称热中子）分裂成较小的核，同时释放出数量大于一个的快中子和大量能量。当反应堆中的中子减速剂令快中子转变为慢中子，慢中子再轰击堆中其他铀-235时，类似的核反应将能持续发生，即自我维持的核裂变链式反应