परमाणु ऊर्जा वह ऊर्जा है जिसे नियंत्रित परमाणु अभिक्रिया से उत्पन्न किया जाता है। वाणिज्यिक संयंत्र वर्तमान में बिजली उत्पन्न करने के लिए परमाणु विखंडन अभिक्रिया का उपयोग करते हैं। नाभिकीय रिएक्टर से प्राप्त उष्मा पानी को गर्म करके भाप बनाने के काम आती है, जिसे फिर बिजली उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है।
2009 में, दुनिया की बिजली का 15% परमाणु ऊर्जा से प्राप्त हुआ। इसके अलावा, परमाणु प्रणोदन का उपयोग करने वाले 150 से अधिक नौसेना पोतों का निर्माण किया गया है।
यथा 2005, परमाणु ऊर्जा ने विश्व की ऊर्जा का 6.3% और विश्व की कुल बिजली का 15% प्रदान किया और जिसमें फ्रांस, अमेरिका और जापान का परमाणु जनित बिजली में, एक साथ 56.5% का योगदान रहा। 2007 में, IAEA ने खबर दी कि विश्व में कुल 439 परमाणु ऊर्जा रिएक्टर काम कर रहे हैं, जो 31 देशों में संचालित हैं।
संयुक्त राज्य अमेरिका सबसे अधिक परमाणु ऊर्जा का उत्पादन करता है, जिसके तहत वह विद्युत् की अपनी खपत का 19% परमाणु ऊर्जा से प्राप्त करता है, जबकि फ्रांस परमाणु रिएक्टरों से अपनी खपत की विद्युत ऊर्जा के सबसे उच्च प्रतिशत का उत्पादन करता है - यथा 2006 80%. यूरोपीय संघ में समग्र रूप, परमाणु ऊर्जा बिजली का 30% प्रदान करती है। यूरोपीय संघ के देशों के बीच परमाणु ऊर्जा नीति भिन्न है और कुछ देशों, जैसे ऑस्ट्रिया, एस्टोनिया और आयरलैंड, में कोई सक्रिय परमाणु ऊर्जा केंद्र नहीं है। इसकी तुलना में, फ्रांस में इनके ढेरों संयंत्र हैं, जिसमें से 16 बहु-इकाई केंद्र, वर्तमान में उपयोग में हैं।
अमेरिका में, जबकि कोयला और गैस विद्युत उद्योग के 2013 तक $85 बीलियन मूल्य के होने का अनुमान है, परमाणु ऊर्जा जनरेटर के $18 बीलियन मूल्य के होने का पूर्वानुमान है।
कई सैन्य और कुछ नागरिक जहाज परमाणु समुद्री प्रणोदन का उपयोग करते हैं, परमाणु प्रणोदन का एक रूप. कुछ अंतरिक्ष विमानों को पूर्ण विकसित परमाणु रिएक्टर का उपयोग करते हुए प्रक्षेपित किया गया: सोवियत RORSAT श्रृंखला और अमेरिकी SNAP-10A.
अंतरराष्ट्रीय अनुसंधान, सुरक्षा सुधार को आगे बढ़ा रहा है, जैसे निष्क्रिय रूप से सुरक्षित संयंत्र, नाभिकीय संलयन का उपयोग और प्रक्रिया ताप का अतिरिक्त उपयोग जैसे हाइड्रोजन उत्पादन, समुद्री जल को नमकविहीन करना और डिस्ट्रिक्ट हीटिंग प्रणाली में इस्तेमाल करना।
नाभिकीय संलयन अभिक्रिया अपेक्षाकृत सुरक्षित होती है और विखंडन की अपेक्षा कम रेडियोधर्मी कचरा उत्पन्न करती है। ये अभिक्रियाएं संभावित रूप से व्यवहार्य दिखाई देती हैं, हालांकि तकनीकी तौर पर काफी मुश्किल हैं और इन्हें अभी भी ऐसे पैमाने पर निर्मित किया जाना है जहां एक कार्यात्मक बिजली संयंत्र में इनका इस्तेमाल किया जा सके। संलयन ऊर्जा 1950 के बाद से, गहन सैद्धांतिक और प्रायोगिक जांच से गुज़र रही है।
विखंडन और संलयन, दोनों अंतरिक्ष प्रणोदन अनुप्रयोगों के लिए संभावनापूर्ण दिखते हैं, जो न्यून अभिक्रिया राशि के साथ उच्च अभियान वेग सृजित करते हैं। ऐसा, परमाणु अभिक्रिया के बहुत अधिक ऊर्जा घनत्व के कारण है: परिमाण के कुछ 7 क्रम रॉकेट की वर्तमान पीढ़ी को ऊर्जा प्रदान करने वाली रासायनिक अभिक्रियाओं से अधिक ऊर्जावान.
रेडियोधर्मी क्षय को अपेक्षाकृत छोटे पैमाने पर इस्तेमाल किया गया है, ज्यादातर अंतरिक्ष अभियानों और प्रयोगों को ऊर्जा प्रदान करने के लिए।
परमाणु भौतिकी के पिता के रूप में, अर्नेस्ट रदरफोर्ड को 1919 में परमाणु विखंडन के लिए श्रेय दिया जाता है। इंग्लैंड में उनके दल ने नाइट्रोजन पर रेडियोधर्मी पदार्थ से प्राकृतिक रूप से निकलने वाले अल्फा कण से बमबारी की और अल्फा कण से भी अधिक ऊर्जा युक्त एक प्रोटॉन को उत्सर्जित होते देखा. 1932 में उनके दो छात्र जॉन कौक्रोफ्ट और अर्नेस्ट वाल्टन ने, जो रदरफोर्ड के दिशा-निर्देश में काम कर रहे थे, पूरी तरह कृत्रिम तरीके से परमाणु नाभिक को विखंडित करने की कोशिश की, उन्होंने लिथियम पर प्रोटॉनों की बमबारी करने के लिए एक कण त्वरक का उपयोग किया, जिससे दो हीलियम नाभिक की उत्पत्ति हुई। 
जेम्स चैडविक द्वारा 1932 में न्यूट्रॉन की खोज के बाद, परमाणु विखंडन को सर्वप्रथम एनरिको फर्मी ने प्रयोगात्मक रूप से 1934 में रोम में हासिल किया, जब उनके दल ने यूरेनियम पर न्यूट्रॉन से बमबारी की। 1938 में, जर्मन रसायनशास्त्री ओट्टो हान और फ्रिट्ज स्ट्रासमन और साथ में ऑस्ट्रियाई भौतिकविद लिसे मेट्नर और मेट्नर के भतीजे ओट्टो रॉबर्ट फ़्रिश ने न्यूट्रॉन से बमबारी किए गए यूरेनियम उत्पादों पर प्रयोग किए। उन्होंने निर्धारित किया कि अपेक्षाकृत छोटा न्यूट्रॉन, महाकाय यूरेनियम परमाणुओं के नाभिक को लगभग दो बराबर टुकड़ों में विभाजित करता है, जो एक आश्चर्यजनक परिणाम था। लियो शिलार्ड सहित जो एक अगुआ थे, अनेकों वैज्ञानिकों ने यह पाया कि अगर विखंडन अभिक्रियाएं अतिरिक्त न्यूट्रॉन छोड़ती हैं तो एक स्व-चालित परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया फलित हो सकती है। इस बात ने कई देशों में वैज्ञानिकों को परमाणु विखंडन अनुसंधान के समर्थन के लिए अपनी सरकारों को याचिका देने के लिए प्रेरित किया।
इस खोज ने अमेरिका में, जहां फर्मी और शीलार्ड, दोनों ने प्रवास किया था, मानव निर्मित प्रथम रिएक्टर को प्रेरित किया, जो शिकागो पाइल-1 कहलाया और जिसने 2 दिसम्बर 1942 को क्रिटिकलिटी हासिल की। यह कार्य मैनहट्टन प्रोजेक्ट का हिस्सा बन गया, जिसने हैनफोर्ड साईट पर विशाल रिएक्टर बनाए, ताकि प्रथम परमाणु हथियारों में प्रयोग के लिए प्लूटोनियम पैदा किया जा सके, जिन्हें हिरोशिमा और नागासाकी के शहरों पर इस्तेमाल किया गया। यूरेनियम संवर्धन का एक समानांतर प्रयास भी जारी रहा।
द्वितीय विश्व युद्ध के बाद, यह डर कि रिएक्टर अनुसंधान, परमाणु हथियारों और प्रौद्योगिकी के तीव्र प्रसार को प्रोत्साहित करेगा और इस डर के साथ संयुक्त कई वैज्ञानिकों की यह सोच कि यह विकास की एक लंबी यात्रा होगी, ऐसी परिस्थिति उत्पन्नं हुई जिसमें सरकार ने रिएक्टर अनुसंधान को कड़े सरकारी नियंत्रण और वर्गीकरण के तहत रखने का प्रयास किया। इसके अलावा, अधिकांश रिएक्टर अनुसंधान, विशुद्ध रूप से सैन्य प्रयोजनों पर केंद्रित थे। एक तत्काल हथियार और विकास की दौड़ शुरू हो गई जब अमेरिकी सेना ने जानकारी साझा करने और परमाणु सामग्री को नियंत्रित करने के अपने ही वैज्ञानिक समुदाय की सलाह का पालन करने से इनकार कर दिया। 2006 तक, एक चक्र पूरा करते हुए बातें, वैश्विक परमाणु ऊर्जा भागीदारी के साथ वहीं पहुंची हैं .
20 दिसम्बर 1951 को पहली बार एक परमाणु रिएक्टर द्वारा बिजली उत्पन्न की गई, आर्को, आइडहो के नज़दीक EBR-I प्रयोगात्मक स्टेशन में, जिसने शुरुआत में 100 kW का उत्पादन किया . 1952 में, राष्ट्रपति हैरी ट्रूमैन के लिए पाले आयोग की एक रिपोर्ट ने परमाणु ऊर्जा का "अपेक्षाकृत निराशावादी" मूल्यांकन किया और "सौर ऊर्जा के सम्पूर्ण क्षेत्र में आक्रामक अनुसंधान की मांग की." राष्ट्रपति ड्वाइट आइज़नहावर द्वारा दिसम्बर 1953 को दिए गए भाषण "शांति के लिए परमाणु" ने परमाणु के उपयोगी दोहन पर बल दिया और परमाणु ऊर्जा के अंतरराष्ट्रीय प्रयोग के लिए अमेरिका को मजबूत सरकारी समर्थन के मार्ग पर आगे बढ़ाया.
27 जून 1954 को USSR के ओबनिंस्क न्यूक्लियर पावर प्लांट, विद्युत् ग्रिड के लिए बिजली उत्पादित करने वाला दुनिया का पहला परमाणु ऊर्जा संयंत्र बना और इसने करीब 5 मेगावाट बिजली का उत्पादन किया।
बाद में 1954 में, अमेरिकी परमाणु ऊर्जा आयोग के उस वक्त के अध्यक्ष, लुईस स्ट्रास ने भविष्य में बिजली के बारे में कहा कि यह "इतनी सस्ती होगी कि मीटर से नापने की आवश्यकता नहीं होगी". स्ट्रास, हाइड्रोजन संलयन का जिक्र कर रहे थे - जिसे गुप्त रूप से उस वक्त शेरवुड परियोजना के हिस्से के रूप में विकसित किया जा रहा था - लेकिन स्ट्रास के बयान को परमाणु विखंडन से मिलने वाली अत्यंत सस्ती ऊर्जा के एक वादे के रूप में समझा गया। U.S. AEC ने कुछ महीने पहले अमेरिकी कांग्रेस में, परमाणु विखंडन के बारे में कहीं अधिक रूढ़िवादी गवाही जारी की, यह दर्शाते हुए कि "लागत को नीचे लाया जा सकता है।.. परंपरागत स्रोतों से मिलने वाली बिजली की लागत के बराबर ही.. " महत्वपूर्ण निराशा बाद में तब पनपी जब नए परमाणु ऊर्जा संयंत्रों ने "अत्यंत सस्ती" ऊर्जा प्रदान नहीं की।
1955 में, संयुक्त राष्ट्र संघ के "प्रथम जिनेवा सम्मेलन", उस वक्त वैज्ञानिकों और इंजीनियरों का दुनिया का सबसे बड़ा जमावड़ा, ने प्रौद्योगिकी को और खंगालने के लिए मुलाकात की। 1957 में EURATOM को यूरोपीय आर्थिक समुदाय के साथ शुरू किया गया। उसी वर्ष अंतर्राष्ट्रीय परमाणु ऊर्जा एजेंसी का भी गठन किया गया।
सेलाफील्ड, इंग्लैंड में स्थित विश्व का पहला वाणिज्यिक परमाणु ऊर्जा केंद्र, काल्डर हॉल, को 1956 में 50 मेगावाट की आरंभिक क्षमता के साथ खोला गया . परिचालन शुरू करने वाला अमेरिका का पहला वाणिज्यिक परमाणु जनरेटर था शिपिंगपोर्ट रिएक्टर .
परमाणु ऊर्जा को विकसित करने वाले पहले संगठनों में से एक था अमेरिकी नौसेना, जिसने इसका उपयोग पनडुब्बी और विमान वाहकों को चलाने के लिए किया। परमाणु सुरक्षा में इसका रिकार्ड दाग रहित है, शायद एडमिरल हैमन जी. रिकोवर की कड़ी मांगों की वजह से, जो परमाणु समुद्री प्रणोदन और साथ ही साथ शिपिंगपोर्ट रिएक्टर के प्रणेता थे . अमेरिकी नौसेना ने किसी भी अन्य संस्था की तुलना में, जिसमें सोवियत नौसेना भी शामिल है, सार्वजनिक रूप से ज्ञात, बिना किसी प्रमुख घटना के अधिक परमाणु रिएक्टरों को संचालित किया है। पहली परमाणु संचालित पनडुब्बी, USS नौटीलस को दिसम्बर 1954 में समुद्र में छोड़ा गया। दो अमेरिकी परमाणु पनडुब्बी, USS स्कोर्पियन और USS थ्रेशर, समुद्र में खो गए। ये दोनों जहाज, प्रणाली में ऐसी खराबी के कारण खो गए जो रिएक्टर संयंत्र से संबंधित नहीं था। साइटों की निगरानी की जाती है और जहाज पर रिएक्टरों से कोई ज्ञात रिसाव नहीं हुआ है।
अमेरिकी सेना के पास भी एक परमाणु ऊर्जा कार्यक्रम है, जो 1954 में शुरु हुआ। Ft. बेल्वोइर, Va. में स्थित SM-1 परमाणु ऊर्जा संयंत्र, अप्रैल 1957 में, वाणिज्यिक ग्रिड को विद्युत ऊर्जा की आपूर्ति करने वाला US का पहला ऊर्जा रिएक्टर था, शिपिंगपोर्ट से पहले .
एनरिको फर्मी और लियो शीलार्ड ने 1955 में परमाणु रिएक्टर के लिए अमेरिकी पेटेंट 27,08,656 साझा किया, उस काम के लिए देर से प्रदान किया गया जो उन्होंने मैनहट्टन परियोजना के दौरान किया था।
संस्थापित परमाणु क्षमता शुरू में अपेक्षाकृत जल्दी बढ़ी, 1960 में 1 गीगावाट से भी कम से लेकर 1970 के दशक के उत्तरार्ध में 100 GW और 1980 के दशक के उत्तरार्ध में 300 GW. 1980 के दशक के उत्तरार्ध के बाद से, दुनिया भर में क्षमता अपेक्षाकृत धीरे-धीरे बढ़ी है, जो 2005 में 366 GW तक पहुंची. 1970 और 1990 के बीच, 50 GW से अधिक की क्षमता निर्माणाधीन थी - 2005 में करीब 25 GW की नई क्षमता की योजना बनाई गई। जनवरी 1970 के बाद से आदेश दिए गए कुल परमाणु संयंत्रों में से दो तिहाई से अधिक को अंततः रद्द कर दिया गया। 1975 से 1980 के बीच अमेरिका में कुल 63 परमाणु यूनिट को रद्द कर दिया गया।
1970 और 1980 के दशक में बढ़ती आर्थिक लागत के दौरान और जीवाश्म ईंधन की कीमतों में गिरावट ने उस वक्त के निर्माणाधीन परमाणु ऊर्जा संयंत्रों को अनाकर्षक बना दिया। 1980 के दशक में और 1990 के दशक में, सपाट भार विकास और विद्युत् उदारीकरण ने भी विशाल नई बेसलोड क्षमता के जुड़ाव को अरुचिकर बना दिया।
1973 के तेल संकट का देशों पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा, जैसे फ्रांस और जापान, जो बिजली उत्पादन के लिए तेल पर अत्यधिक निर्भर थे ने परमाणु ऊर्जा में निवेश की योजना बनाई। आज, परमाणु ऊर्जा इन देशों में क्रमशः करीब 80% और 30% की विद्युत् आपूर्ति करती है।
परमाणु ऊर्जा के खिलाफ आंदोलन 20वीं सदी के आखिरी तीसरे भाग में उभरा, जो संभावित परमाणु दुर्घटना के डर के साथ ही साथ दुर्घटनाओं का इतिहास, विकिरण की आशंका के साथ ही साथ सार्वजनिक विकिरण के इतिहास, परमाणु अप्रसार और परमाणु कचरे के उत्पादन, परिवहन और संग्रहण की किसी अंतिम योजना की कमी पर आधारित था। नागरिकों के स्वास्थ्य और सुरक्षा पर कथित खतरा, थ्री माइल आइलैंड पर 1979 की दुर्घटना और 1986 की चेरनोबिल आपदा ने कई देशों में नए संयंत्रों के निर्माण को रोकने में भूमिका अदा की, हालांकि सार्वजनिक नीति संगठन ब्रूकिंग्स इंस्टीट्यूशन का सुझाव है कि अमेरिका में नई परमाणु इकाइयों का आदेश नहीं दिया गया है, जिसकी वजह है बिजली की हलकी मांग और निर्माण में देरी और विनियामक मुद्दों के कारण परमाणु संयंत्रों की बढ़ती लागत.
थ्री माइल आइलैंड दुर्घटना के विपरीत, अधिक गंभीर चेरनोबिल दुर्घटना ने वेस्टर्न रिएक्टर को प्रभावित करने वाले नियमों को नहीं बढ़ाया क्योंकि चेरनोबिल रिएक्टर समस्याग्रस्त RBMK डिज़ाइन वाले थे जिसे सिर्फ सोवियत संघ में इस्तेमाल किया जाता था, उदाहरण के लिए "मज़बूत" रोकथाम बिल्डिंग की कमी. इनमें से कई रिएक्टर आज भी प्रयोग में हैं। हालांकि, एक नकली दुर्घटना की संभावना को कम करने के लिए, रिएक्टरों और नियंत्रण प्रणाली, दोनों में परिवर्तन किए गए।
परमाणु सुविधाओं में ऑपरेटरों पर सुरक्षा जागरूकता और पेशेवर विकास को बढ़ावा देने के लिए एक अंतरराष्ट्रीय संगठन बनाया गया: WANO; वर्ल्ड एसोसिएशन ऑफ़ न्यूक्लिअर ऑपरेटर्स.
आयरलैंड और पोलैंड में विपक्ष ने परमाणु कार्यक्रमों को रोका, जबकि आस्ट्रिया, स्वीडन और इटली  ने जनमत-संग्रह में परमाणु ऊर्जा का विरोध करने या समाप्त करने के लिए मतदान किया। जुलाई 2009 में, इतालवी संसद ने एक कानून पारित किया जिसने पूर्व के एक जनमत संग्रह के परिणाम को रद्द कर दिया और इतालवी परमाणु कार्यक्रम को तुरंत शुरू करने की अनुमति दी। 
यथा 2007, वाट्स बार 1, 7 फ़रवरी 1996 को ऑन-लाइन आया, वह आखिरी अमेरिकी वाणिज्यिक परमाणु रियेक्टर था जो ऑन-लाइन गया। इसे अक्सर, परमाणु ऊर्जा को समाप्त करने के लिए एक सफल वैश्विक अभियान के साक्ष्य के रूप में उद्धृत किया जाता है। हालांकि, अमेरिका और पूरे यूरोप में, अनुसंधान और परमाणु ईंधन चक्र में निवेश जारी है और परमाणु उद्योग के कुछ विशेषज्ञों ने बिजली की कमी, जीवाश्म ईंधन की कीमतों में बढ़ोतरी, ग्लोबल वार्मिंग और जीवाश्म ईंधन के उपयोग से भारी धातु उत्सर्जन होने का पूर्वानुमान लगाया है, नई प्रौद्योगिकी जैसे निष्क्रिय रूप से सुरक्षित संयंत्र और राष्ट्रीय ऊर्जा सुरक्षा, परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की मांग को नवीनीकृत करेगी।
विश्व परमाणु संघ के अनुसार, 1980 के दशक के दौरान वैश्विक स्तर पर हर 17 दिनों में एक नया परमाणु रिएक्टर औसत रूप से शुरू हुआ और 2015 तक यह दर प्रत्येक 5 दिनों में एक तक बढ़ सकता है।
कई देश परमाणु ऊर्जा विकसित करने में सक्रिय हैं, जिसमें चीन, भारत, जापान और पाकिस्तान शामिल है। सभी सक्रिय रूप से तेज़ और तापीय प्रौद्योगिकी का विकास कर रहे हैं, दक्षिण कोरिया और अमेरिका, केवल तापीय प्रौद्योगिकी का विकास कर रहे हैं और दक्षिण अफ्रीका और चीन पेबल बेड मॉड्यूलर रिएक्टर के संस्करणों का विकास कर रहे हैं। यूरोपीय संघ के कई सदस्य, सक्रिय रूप से परमाणु कार्यक्रम को आगे बढ़ा रहे हैं, जबकि कुछ अन्य सदस्य राज्यों में परमाणु ऊर्जा के इस्तेमाल पर प्रतिबंध जारी है। जापान में एक सक्रिय परमाणु उत्पादन कार्यक्रम है जिसके तहत 2005 में नई इकाइयों को चालू किया गया। अमेरिका में, 2010 परमाणु ऊर्जा कार्यक्रम के अंतर्गत अमेरिकी ऊर्जा विभाग के अनुरोध का तीन भागीदारों ने 2004 में जवाब दिया और उन्हें मिलान निधि प्रदान की गई - 2005 के ऊर्जा नीति अधिनियम ने छः नए रिएक्टरों के लिए ऋण गारंटी अधिकृत की और ऊर्जा विभाग को बिजली और हाइड्रोजन, दोनों का उत्पादन करने के लिए चतुर्थ पीढ़ी अति उच्च तापमान रिएक्टर अवधारणा पर आधारित एक रिएक्टर बनाने के लिए अधिकृत किया। यथा 21वीं सदी के पूर्वार्ध, चीन और भारत, दोनों के लिए तेजी से उभरती उनकी अर्थव्यवस्था को समर्थन देने के लिए परमाणु ऊर्जा विशेष रूचि का है - दोनों ही फास्ट ब्रीडर रिएक्टर का विकास कर रहे हैं। यूनाइटेड किंगडम की ऊर्जा नीति में, यह माना गया है कि भविष्य की ऊर्जा आपूर्ति में कमी की संभावना है, जिसकी भरपाई या तो नए परमाणु संयंत्रों के निर्माण से या मौजूदा संयंत्रों को उनके निर्धारित जीवन से अधिक समय तक बनाए रखने के द्वारा की जा सकती है।
परमाणु बिजली संयंत्रों के उत्पादन में कुछ संभावित रुकावटें हैं क्योंकि विश्व भर में कुछ ही कंपनियों के पास सिंगल-पीस रिएक्टर दबाव वाहिकाओं को गढ़ने की क्षमता है, जो अधिकांश रिएक्टर डिज़ाइन में आवश्यक है। दुनिया भर में सुविधा कम्पनियां इन जहाजों के लिए किसी वास्तविक जरूरत के लिए अग्रिम आदेश प्रस्तुत कर रही हैं। अन्य निर्माता विभिन्न विकल्पों का परीक्षण कर रहे हैं, जिसमें शामिल है घटक को स्वयं बनाना, या वैकल्पिक विधि का उपयोग करके समान चीज़ बनाने के तरीके को खोजना. अन्य समाधान में शामिल है ऐसे डिज़ाइन प्रयोग करना जिसमें सिंगल-पीस फोर्ज्ड प्रेशर वेसल की ज़रूरत नहीं है, जैसे कनाडा का अडवांस्ड CANDU रिएक्टर या सोडियम कूल्ड फास्ट रिएक्टर.
चीन की 100 से ज्यादा संयंत्र बनाने की योजना है, जबकि अमेरिका में इसके आधे रिएक्टरों के लाइसेंस को लगभग 60 वर्षों के लिए पहले ही विस्तारित कर दिया गया है और 30 नए रिएक्टर बनाने की योजना विचाराधीन है। इसके अलावा, US NRC और अमेरिकी ऊर्जा विभाग ने हलके पानी के रिएक्टर की स्थिरता में अनुसंधान शुरू किया है जिससे रिएक्टर लाइसेंस को 60 साल से अधिक के विस्तार की अनुमति मिलने की आशा है, 20 साल की वृद्धि के साथ, बशर्ते कि सुरक्षा को बनाए रखा जाए, क्योंकि रिएक्टरों को वापस करने के द्वारा गैर-CO2-उत्सर्जन उत्पादन क्षमता "अमेरिकी ऊर्जा सुरक्षा को चुनौती दे सकती है, जिससे संभावित रूप से ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में वृद्धि हो सकती है और बिजली की मांग और आपूर्ति के बीच असंतुलन पैदा हो सकता है". 2008 में, अंतरराष्ट्रीय परमाणु ऊर्जा एजेंसी का पूर्वानुमान है कि 2030 तक परमाणु ऊर्जा क्षमता दुगुनी हो सकती है, हालांकि बिजली उत्पादन के परमाणु हिस्से को बढ़ाने के लिए यह पर्याप्त नहीं होगा। 
जिस प्रकार कई परम्परागत तापीय ऊर्जा केंद्र, जीवाश्म ईंधन के जलने से निकलने वाली ताप ऊर्जा के दोहन से बिजली उत्पन्न करते हैं, वैसे ही परमाणु ऊर्जा संयंत्र, आम तौर पर परमाणु विखंडन के माध्यम से एक परमाणु के नाभिक से निकली ऊर्जा को परिवर्तित करते हैं।
जब एक अपेक्षाकृत बड़ा विखंडनीय परमाणु नाभिक एक न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है तो उस परमाणु का विखंडन अक्सर फलित होता है। विखंडन, परमाणु को गतिज ऊर्जा के साथ दो या दो से अधिक छोटे नाभिक में विभाजित करता है और गामा विकिरण और मुक्त न्यूट्रॉन को भी छोड़ता है। इन न्यूट्रॉनों के एक हिस्से को अन्य विखंडनीय परमाणु द्वारा बाद में अवशोषित किया जा सकता है तथा और अधिक विखंडन जन्म ले सकते हैं, जो और अधिक न्यूट्रॉन को छोड़ेंगे और इसी प्रकार आगे होता रहेगा.
इस परमाणु श्रृंखला अभिक्रिया को नियंत्रित करने के लिए न्यूट्रॉन विष और न्यूट्रॉन मंदक का प्रयोग किया जा सकता है, जो न्यूट्रॉन के उस भाग को परिवर्तित कर देता है जो विखंडन को आगे बढ़ाता है। असुरक्षित स्थितियों का पता चलने पर, विखंडन अभिक्रिया को बंद करने के लिए, परमाणु रिएक्टरों में आमतौर पर स्वचालित और हस्तचालित प्रणाली होती है।
एक शीतलन प्रणाली, रिएक्टर के केंद्र से ताप को हटाती है और उसे संयंत्र के अन्य क्षेत्र में भेजती है, जहां तापीय ऊर्जा का दोहन बिजली उत्पादन के लिए या अन्य उपयोगी कामों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। आम तौर पर गर्म शीतलक को बॉयलर के लिए एक ताप स्रोत के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा और बॉयलर की दाबावयुक्त भाप, एक या अधिक भाप टरबाइन द्वारा संचालित विद्युत जनरेटर को ऊर्जा देगा। 
रिएक्टर के कई अलग-अलग डिज़ाइन हैं, जो विभिन्न ईंधन और शीतलक का प्रयोग करते हैं और इनकी नियंत्रण विधि विभिन्न होती है। इन डिज़ाइनों में से कुछ को किसी किसी विशिष्ट जरूरत को पूरा करने के लिए परिवर्तित किया गया है। परमाणु पनडुब्बी और विशाल नौसेना जहाजों के लिए प्रयुक्त रिएक्टर, उदाहरण के लिए, ईंधन के रूप में अत्यधिक संवर्धित यूरेनियम का इस्तेमाल किया जाता है। ईंधन का यह विकल्प रिएक्टर के ऊर्जा घनत्व को बढ़ाता है और परमाणु ईंधन लोड के प्रयोग किए जाने की अवधि को लंबा करता है, लेकिन अन्य परमाणु ईंधनों की तुलना में यह अधिक महंगा है और इससे परमाणु प्रसार का अधिक खतरा है।
परमाणु ऊर्जा उत्पादन के लिए ढेरों नए डिज़ाइन सक्रिय अनुसंधान के अधीन हैं, जिन्हें सामूहिक रूप से चतुर्थ पीढ़ी रिएक्टर कहा जाता है और भविष्य में व्यावहारिक ऊर्जा उत्पादन के लिए इनका इस्तेमाल किया जा सकता है। इनमें से कई नए डिज़ाइन, विखंडन रिएक्टरों को विशेष रूप से स्वच्छ, सुरक्षित और/या एक परमाणु हथियारों के प्रसार के खतरे को कम करने का प्रयास करते हैं। निष्क्रिय रूप से सुरक्षित संयंत्र बनाए जाने के लिए उपलब्ध हैं और अन्य डिज़ाइन जिनके भूल-रक्षित होने का विश्वास है उन पर काम आगे बढ़ाया जा रहा है। संलयन रिएक्टर, जो भविष्य में व्यवहार्य हो सकते हैं, परमाणु विखंडन के साथ जुड़े कई जोखिमों को कम या समाप्त कर देंगे। 
एक परमाणु रिएक्टर, परमाणु ऊर्जा के लिए जीवन चक्र का ही हिस्सा है। यह प्रक्रिया खनन के साथ शुरू होती है . यूरेनियम खानें भूमिगत, खुले-गड्ढे की, या स्वस्थानी लीच खानें होती हैं। किसी भी हालत में, यूरेनियम अयस्क को निकाला जाता है, आमतौर पर एक स्थिर और ठोस रूप में परिवर्तित किया जाता है, जैसे यल्लोकेक और फिर उसे किसी प्रसंस्करण सुविधा में भेजा जाता है। यहां, यल्लोकेक को यूरेनियम हेक्साफ्लोराइड में परिवर्तित किया जाता है, जिसे फिर विभिन्न तकनीकों का उपयोग करते संवर्धित किया जाता है। इस बिंदु पर, संवर्धित यूरेनियम, जिसमें प्राकृतिक 0.7% U-235 से अधिक है, उसका प्रयोग उचित संरचना और ज्यामिति की छड़ें बनाने के लिए इस्तेमाल किया जाता है, उस विशेष रिएक्टर के लिए जिसके लिए ईंधन नियत है। ईंधन छड़ें रिएक्टर के अंदर करीब तीन परिचालन चक्र पूरा करती हैं, सामान्यतः जब तक कि उनका करीब 3% यूरेनियम विखंडित न हो जाए, तब उन्हें एक खर्चित ईंधन पूल में भेजा जाता है जहां विखंडन द्वारा उत्पन्न अल्प-जीवित आइसोटोप नष्ट हो जाते हैं। एक शीतलक तालाब में लगभग 5 साल के बाद, खर्चित ईंधन रेडिओधर्मी और तापीय आधार पर संभालने के लिए पर्याप्त ठंडा हो चुका होता है और उसे शुष्क भंडारण पीपों में रखा जा सकता है या पुनः संवर्धित किया जा सकता है।
यूरेनियम, भू-पर्पटी में पाया जाने वाला काफी आम तत्व है। यूरेनियम लगभग उतना ही आम है जितना भू-पर्पटी में टिन या जर्मेनियम का पाया जाना और रजत की तुलना में यह 35 गुना आम है। यूरेनियम अधिकांश चट्टानों, धूल और महासागरों का एक घटक है। यह तथ्य कि यूरेनियम इतना बिखरा हुआ है, एक समस्या है, क्योंकि यूरेनियम खनन आर्थिक रूप से केवल वहीं व्यवहार्य है जहां बड़ी मात्रा में इसका संकेन्द्रण हो। फिर भी, वर्तमान में नापे गए दुनिया के यूरेनियम संसाधन, जो आर्थिक रूप से 130 USD/kg की कीमत पर वसूले जा सकते हैं, खपत की वर्तमान दर के अनुसार "कम से कम एक सदी" तक चलने के लिए पर्याप्त हैं। अधिकांश खनिजों की सामान्य तुलना में, यह निश्चित संसाधनों के एक उच्च स्तर को दर्शाता है। अन्य धातु खनिज के साथ अनुरूपता के आधार पर, कीमत में वर्तमान स्तर से दुगुनी वृद्धि करने से मापन किए गए संसाधनों में, समय के साथ दस गुना वृद्धि होने की उम्मीद की जा सकती है। हालांकि, परमाणु ऊर्जा की लागत, मुख्यतः विद्युत् केंद्र के निर्माण में निहित है। इसलिए, उत्पादित बिजली की कुल लागत में ईंधन का योगदान अपेक्षाकृत थोड़ा है, अतः एक अत्यधिक ईंधन मूल्य वृद्धि का अंतिम कीमत पर अपेक्षाकृत कम असर होगा। उदाहरण के लिए, आम तौर पर यूरेनियम की बाजार कीमत का एक दोहरीकरण, हल्के जल के रिएक्टर के लिए ईंधन की कीमत में 26% की वृद्धि करेगा और बिजली की लागत में करीब 7%, जबकि प्राकृतिक गैस की कीमत में दुगुनी वृद्धि, आम तौर पर बिजली की कीमत में उस स्रोत से 70% की बढ़ोतरी करेगी। पर्याप्त उच्च कीमतों पर, स्रोतों से अंततः निकासी, जैसे ग्रेनाइट और समुद्री जल आर्थिक रूप से संभव हो जाते हैं।
वर्तमान के हल्के जल रिएक्टर, परमाणु ईंधन का अपेक्षाकृत अकुशल प्रयोग करते हैं और केवल बहुत दुर्लभ यूरेनियम-235 आइसोटोप का विखंडन करते हैं। परमाणु पुनर्संसाधन इस कचरे को पुनः उपयोग के लायक बना सकता है और अधिक कुशल रिएक्टर डिज़ाइन, उपलब्ध संसाधनों के बेहतर प्रयोग की अनुमति देते हैं।
वर्तमान हल्के जल के रिएक्टरों के विपरीत, जो यूरेनियम-235 का प्रयोग करते हैं, फास्ट ब्रीडर रिएक्टर यूरेनियम- 238 का उपयोग करते हैं। यह अनुमान लगाया गया है कि इन संयंत्रों में 5 बीलियन वर्षों तक प्रयोग के लायक यूरेनियम-238 मौजूद हैं।
ब्रीडर प्रौद्योगिकी का कई रिएक्टरों में इस्तेमाल किया गया है, लेकिन ईंधन को सुरक्षित तरीके से पुनर्संसाधित करने की उच्च लागत को, आर्थिक रूप से उचित बनने से पहले 200 USD/kg से अधिक की यूरेनियम कीमतों की आवश्यकता है। यथा दिसम्बर 2005, ऊर्जा उत्पादन करने वाला एकमात्र ब्रीडर रिएक्टर बेलोयार्स्क, रूस में BN-600 है। BN-600 का बिजली उत्पादन 600 मेगावाट है - रूस ने बेलोयार्स्क परमाणु ऊर्जा संयंत्र में एक और इकाई, BN-800, के निर्माण की योजना बनाई है। इसके अलावा, जापान के मोंजू रिएक्टर को पुनः आरंभ करने की योजना है और चीन और भारत, दोनों ब्रीडर रिएक्टर बनाने का इरादा रखते हैं।
एक अन्य विकल्प होगा यूरेनियम-233 का प्रयोग जिसे थोरिअम ईंधन चक्र में थोरियम से विखंडन ईंधन के रूप में पैदा किया जाता है। थोरियम, भू-पर्पटी में यूरेनियम से 3.5 गुना अधिक आम है और इसका भौगोलिक लक्षण भिन्न है। यह कुल व्यावहारिक विखंडन-योग्य संसाधन आधार को 450% तक बढ़ा देगा। प्लूटोनियम के रूप में U-238 के उत्पादन के विपरीत, फास्ट ब्रीडर रिएक्टर आवश्यक नहीं हैं - इसे और अधिक पारंपरिक संयंत्रों में संतोषजनक रूप में संपादित किया जा सकता है। भारत ने इस तकनीक में झांकने की कोशिश की है, क्योंकि इसके पास प्रचुर मात्रा में थोरियम भंडार हैं लेकिन यूरेनियम थोड़ा ही है।
संलयन ऊर्जा के पैरोकार ईंधन के रूप में सामान्यतः ड्यूटेरिअम या ट्रिटियम के उपयोग का प्रस्ताव करते हैं, दोनों ही हाइड्रोजन के आइसोटोप हैं और कई मौजूदा डिज़ाइनों में बोरान और लिथियम का भी. एक संलयन ऊर्जा उत्पादन को मौजूदा वैश्विक उत्पादन के बराबर मान कर और यह मानकर कि इसमें भविष्य में वृद्धि नहीं होगी, तो ज्ञात वर्तमान लिथियम भंडार 3000 साल तक चलेंगे, समुद्री जल का लिथियम 60 मिलियन वर्ष चलेगा और एक अधिक जटिल संलयन प्रक्रिया जो समुद्री जल से केवल ड्यूटेरिअम का उपयोग करती है उसके पास अगले 150 बीलियन वर्षों तक के लिए ईंधन होगा। यद्यपि इस प्रक्रिया को अभी भी सिद्ध किया जाना है, कई विशेषज्ञ और नागरिक संलयन को भविष्य की एक आशाजनक ऊर्जा के रूप में देखते हैं जिसकी वजह है उसके द्वारा उत्पादित अपशिष्ट की अल्पकालिक रेडियोधर्मिता, इसका निम्न कार्बन उत्सर्जन और इसका भावी बिजली उत्पादन.
परमाणु ऊर्जा संयंत्रों से सबसे महत्वपूर्ण अपशिष्ट धारा है खर्चित परमाणु ईंधन. यह मुख्यतः अपरिवर्तित यूरेनियम से बना है और साथ ही ट्रांससुरानिक एक्टिनाइड्स की महत्वपूर्ण मात्रा . इसके अलावा, इसका करीब 3%, परमाणु अभिक्रिया से निकला विखंडन उत्पाद है। एक्टिनाइड्स लम्बी अवधि की रेडियोधर्मिता के बड़े हिस्से के लिए जिम्मेदार हैं, जबकि विखंडन उत्पाद, अल्पावधि की रेडियोधर्मिता के बड़े हिस्से के लिए जिम्मेदार हैं।
परमाणु रिएक्टर के अन्दर एक परमाणु ईंधन छड़ के 5 प्रतिशत अभिक्रिया कर लेने के बाद, वह छड़ ईंधन के रूप में प्रयोग किए जाने के लायक नहीं रहती . आज, वैज्ञानिक इस बात का पता लगा रहे हैं कि कैसे इन छड़ों को दुबारा प्रयोग करने लायक बनाया जाए ताकि कचरे को कम किया जा सके और बचे हुए एक्टिनाइड्स को ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सके .
एक ठेठ 1000-मेगावाट परमाणु रिएक्टर, प्रति वर्ष करीब 20 क्यूबिक मीटर खर्चित परमाणु ईंधन को उत्पन्न करता है . अमेरिका में सभी वाणिज्यिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र द्वारा आज की तारीख तक उत्पन्न खर्चित ईंधन, एक फुटबॉल मैदान को एक मीटर तक भर सकता है।
खर्चित परमाणु ईंधन शुरू में बहुत उच्च रेडियोधर्मी होता और इसलिए इसे अत्यंत सावधानी और पूर्वविचारित तरीके से संभालना चाहिए। हालांकि, हजारों वर्षों की अवधि के दौरान यह काफी कम रेडियोधर्मी हो जाता है। 40 वर्षों के बाद, विकिरण प्रवाह 99.9% है, जो संचालन से खर्चित ईंधन को हटाए जाने के क्षण की तुलना में कम है, हालांकि खर्चित ईंधन अभी भी खतरनाक रूप से रेडियोधर्मी है। रेडियोधर्मी क्षय के 10,000 वर्षों के बाद, अमेरिकी पर्यावरण संरक्षण एजेंसी के मानकों के अनुसार, खर्चित परमाणु ईंधन से सार्वजनिक स्वास्थ्य और सुरक्षा को कोई खतरा नहीं होगा।
जब पहली बार निकाला जाता है तो खर्चित ईंधन छड़ों को पानी के परिरक्षित बेसिनों में संग्रहीत किया जाता है, जो आमतौर पर साइट पर होते हैं। यह पानी दोनों प्रदान करता है, अब भी नष्ट होते विखंडन उत्पादों के लिए शीतलन और जारी रहने वाली रेडियोधर्मिता से परिरक्षण. एक अवधि के बाद, अब शीतलक, कम रेडियोधर्मी ईंधन को आम तौर पर एक शुष्क भंडारण सुविधा या शुष्क पीपा भंडारण में भेजा जाता है, जहां ईंधन को स्टील और कंक्रीट के कंटेनरों में रखा जाता है। वर्तमान में ज्यादातर अमेरिकी परमाणु कचरे को साइट पर ही जमा किया जाता है जहां यह उत्पन्न होता है, जबकि उपयुक्त स्थायी निपटान के तरीकों पर चर्चा हो रही है।
यथा 2007, संयुक्त राज्य अमेरिका, परमाणु रिएक्टरों से निकले 50,000 मीट्रिक टन से अधिक खर्चित परमाणु ईंधन को जमा कर चुका है। अमेरिकी में स्थायी भूमिगत भंडारण को युक्का पर्वत परमाणु अपशिष्ट भण्डार में प्रस्तावित किया गया था, लेकिन उस परियोजना को अब प्रभावी ढंग से रद्द कर दिया गया है - अमेरिका के उच्च-स्तरीय अपशिष्ट का स्थायी निपटान अभी तक अनसुलझी राजनैतिक समस्या बना हुआ है।
उच्च-स्तरीय कचरे की मात्रा को विभिन्न तरीकों से कम किया जा सकता है, विशेष रूप से परमाणु पुनर्संसाधन द्वारा. फिर भी, एक्टिनाइड्स को हटा देने के बावजूद बचा हुआ अपशिष्ट, कम से कम 300 वर्षों तक के लिए काफी रेडियोधर्मी होगा और यदि एक्टिनाइड्स को अंदर ही छोड़ दिया जाता है तो हज़ारों साल तक के लिए। सारे एक्टिनाइड्स को हटा देने के बाद भी और फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों का उपयोग करते हुए रूपांतरण द्वारा दीर्घ-जीवित गैर-एक्टिनाइड्स को नष्ट कर देने के बावजूद, कचरे को एक सौ वर्षों से कुछ सौ वर्षों तक वातावरण से अलग रखना आवश्यक है और इसलिए इसे उचित रूप से एक दीर्घकालिक समस्या के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। उप-जोखिम रिएक्टर या संलयन रिएक्टर भी कचरे को जमा किए जाने की अवधि को कम कर सकते हैं। यह तर्क दिया गया है कि परमाणु कचरे के लिए सबसे अच्छा उपाय है भूमि के ऊपर अस्थायी भंडारण, क्योंकि तकनीक तेज़ी से बदल रही है। कुछ लोगों का मानना है कि मौजूदा अपशिष्ट भविष्य में एक मूल्यवान संसाधन हो सकता है।
60 मिनट में प्रसारित 2007 की एक कहानी के अनुसार, किसी भी अन्य औद्योगिक देश की तुलना में, परमाणु ऊर्जा, फ्रांस को सबसे स्वच्छ हवा देती है और सम्पूर्ण यूरोप में सबसे सस्ती बिजली. फ्रांस अपने परमाणु कचरे को, उसका द्रव्यमान कम करने के लिए और अधिक ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए पुनः संवर्धित करता है। हालांकि लेख जारी रहता है, "आज हम कचरे के कंटेनरों को जमा रखते हैं क्योंकि वर्तमान में वैज्ञानिकों को यह नहीं पता है कि विषाक्तता को कैसे कम या समाप्त किया जाए, लेकिन शायद 100 वर्षों बाद वैज्ञानिकों को पता होगा ... परमाणु कचरा, एक अत्यधिक कठिन राजनीतिक समस्या है जिसे आज तक कोई भी देश सुलझा नहीं पाया है। एक अर्थ में, यह परमाणु उद्योग की कमज़ोर कड़ी है।.. मंदिल का कहना है कि, "अगर फ्रांस यह मुद्दा हल करने में असमर्थ है, तो मुझे नहीं समझ में आता कि हम अपना परमाणु कार्यक्रम कैसे जारी रख सकते हैं". इसके अलावा, खुद पुनर्संसाधन के भी आलोचक हैं, जैसे चिंतित वैज्ञानिकों का संघ.
परमाणु उद्योग, दूषित वस्तुओं के रूप में निम्न-स्तरीय रेडियोधर्मी कचरे का भी भारी मात्रा में उत्पादन करता है, जैसे कपड़ा, हस्त-उपकरण, जल शुद्धक रेजिन और वे सामग्रियां जिनसे रिएक्टर खुद बना है। संयुक्त राज्य अमेरिका में, परमाणु नियामक आयोग ने निम्न-स्तरीय कचरे को सामान्य कचरे के रूप में व्यवहार किए जाने की अनुमति देने की बार-बार कोशिश की है: किसी एक जगह जमा कर, उपभोक्ता वस्तु के रूप में पुनर्नवीनीकरण के द्वारा. अधिकांश निम्न-स्तरीय कचरे, निम्न स्तर की रेडियोधर्मिता छोड़ते हैं और सिर्फ अपने इतिहास की वजह से रेडियोधर्मी कचरा माने जाते हैं।
परमाणु ऊर्जा वाले देशों में, कुल औद्योगिक विषाक्त कचरे में रेडियोधर्मी कचरे का योगदान 1% से भी कम है, जिसमें से अधिकांश भाग अनिश्चित काल तक के लिए खतरनाक बना रहता है। कुल मिलाकर, जीवाश्म-ईंधन आधारित विद्युत संयंत्रों की तुलना में परमाणु ऊर्जा द्वारा उत्पन्न अपशिष्ट पदार्थों की मात्रा काफी कम होती है। कोयला चालित संयंत्रों को विषाक्त और हल्की रेडियोधर्मी राख उत्पन्न करने के लिए विशेष रूप से जाना जाता है जिसकी वजह है स्वाभाविक रूप से होने वाले धातुओं का संकेन्द्रण और कोयले से निकलने वाली मंद रेडियोधर्मी वस्तु. ओक रिज नेशनल लेबोरेटरी की एक ताजा रिपोर्ट ने निष्कर्ष निकाला है कि कोयला ऊर्जा से वातावरण में, परमाणु ऊर्जा संक्रिया की तुलना में वास्तव में अधिक रेडियोधर्मिता पहुंचती है और कि कोयले के संयंत्र के विकिरण के बराबर जनसंख्या प्रभावी खुराक, परमाणु संयंत्र के आदर्श संचालन से 100 गुना ज्यादा है। बेशक, कोयले की राख, परमाणु कचरे से काफी कम रेडियोधर्मी है, लेकिन राख वातावरण में सीधे जाती है, जबकि परमाणु संयंत्र, विकिरणित रिएक्टर पोत, ईंधन छड़ें और साइट पर किसी भी रेडियोधर्मी अपशिष्ट से पर्यावरण की सुरक्षा के लिए परिरक्षण का उपयोग करते हैं।
पुनर्संसाधन से, खर्चित परमाणु ईंधन से प्लूटोनियम और यूरेनियम के संभावित रूप से 95% को, इसे मिश्रित ऑक्साइड ईंधन में डाल कर पुनः प्राप्त किया जा सकता है। इससे बचे हुए कचरे के भीतर दीर्घकालिक रेडियोधर्मिता में कमी होती है, क्योंकि यह काफी हद तक एक अल्पकालिक विखंडन उत्पाद है और 90% से अधिक एक अपनी मात्रा कम कर लेता है। ऊर्जा रिएक्टरों से नागरिक ईंधन का पुनर्संसाधन, वर्तमान में बड़े पैमाने पर ब्रिटेन, फ्रांस और रूस में किया जाता है और शीघ्र ही चीन में और शायद भारत में भी किया जाएगा और जापान में यह एक बृहत् पैमाने पर किया जा रहा है। पुनर्संसाधन की पूर्ण क्षमता को हासिल नहीं किया गया है क्योंकि इसके लिए 0}ब्रीडर रिएक्टर की आवश्यकता होती है, जो अभी तक वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध नहीं है। . फ्रांस को सबसे सफल पुनर्संसाधन करने वाले के रूप में जाना जाता है, लेकिन वह वर्तमान में प्रयोग किए जाने वाले वार्षिक ईंधन का केवल 28% को पुनर्संसाधित करता है, फ्रांस के अन्दर 7% को और शेष 21% को रूस में.
अन्य देशों के विपरीत, अमेरिका ने 1976 से 1981 तक, अमेरिकी अप्रसार नीति के एक हिस्से के रूप में नागरिक पुनर्संसाधन को रोक दिया, क्योंकि पुनर्संसाधित सामग्री जैसे प्लूटोनियम को परमाणु हथियारों में इस्तेमाल किया जा सकता है: हालांकि, अमेरिका में पुनर्संसाधन की अब अनुमति है। फिर भी, अमेरिका में सभी खर्चित परमाणु ईंधन को वर्तमान में अपशिष्ट के रूप में समझा जाता है।
फरवरी, 2006 में, एक नई अमेरिकी पहल, वैश्विक परमाणु ऊर्जा भागीदारी की घोषणा की गई। यह एक अंतरराष्ट्रीय प्रयास होगा जो ईंधन के पुनर्संसाधन को इस तरीके से करेगा कि जिससे परमाणु प्रसार अव्यवहार्य हो जाएगा, जबकि विकासशील देशों को परमाणु ऊर्जा उपलब्ध रहेगी.
यूरेनियम संवर्धन, कई टन के रिक्त यूरेनियम को उत्पन्न करता है, जो U-238 से बना होता है जिसमें से, आसानी से विखंडनीय U-235 आइसोटोप को हटा दिया गया होता है। U-238 एक कठोर धातु है जिसके कई वाणिज्यिक उपयोग हैं - उदाहरण के लिए, विमान उत्पादन, विकिरण परिरक्षण और कवच - क्योंकि लीड की तुलना में इसका घनत्व उच्च है। रिक्त यूरेनियम, हथियारों में भी उपयोगी है जैसे DU पेनीट्रेटर का "सेल्फ शार्पेन", जिसकी वजह है कतरनी बैंड के साथ फ्रैक्चर की यूरेनियम की प्रवृत्ति.
कुछ ऐसी भी चिंताएं हैं कि U-238, उन समूहों के लिए स्वास्थ्य खतरा उत्पन्न कर सकता है जो इस सामग्री के संपर्क में जरूरत से ज्यादा रहते हैं, जैसे टैंक के कर्मचारी दल और वे नागरिक जो ऐसे क्षेत्रों में रहते हैं जहां DU गोला बारूद की एक बड़ी मात्रा का प्रयोग परिरक्षण, बम, मिसाइल, स्फोटक शीर्ष और गोलियों में किया गया हो। जनवरी 2003 में विश्व स्वास्थ्य संगठन ने एक रिपोर्ट खोज को जारी किया कि DU युद्ध सामग्री से संदूषण स्थानीय क्षेत्र में प्रभाव स्थल से कुछ दसियों मीटर तक था और स्थानीय वनस्पति और जल का संदूषण 'बेहद कम' था। रिपोर्ट में यह भी कहा गया है कि खा ली गई लगभग 70% DU चौबीस घंटे बाद शरीर से निकल जाएगी और कुछ दिनों के बाद 90%.
परमाणु ऊर्जा संयंत्रों का अर्थशास्त्र, मुख्य रूप से विशाल प्रारंभिक निवेश से प्रभावित होता है जो एक संयंत्र का निर्माण करने के लिए आवश्यक है। 2009 में, अमेरिका में एक नए संयंत्र की लागत अनुमानित रूप से $6 से $10 बीलियन के बीच होती है। इसलिए यह आमतौर पर अधिक किफायती होता है कि उन्हें जितना लम्बा हो सके चलाया जाए या या मौजूदा सुविधाओं में ही अतिरिक्त रिएक्टर ब्लॉकों का निर्माण किया जाए. 2008 में, नए परमाणु ऊर्जा संयंत्र के निर्माण की लागत अन्य प्रकार के ऊर्जा संयंत्रों की लागत की तुलना में तेज़ी से बढ़ रहे थे।. 2003 MIT के लिए इस उद्योग का अध्ययन करने के लिए गठित एक प्रतिष्ठित पैनल ने निम्नलिखित पाया: 
 MIT अध्ययन ने परमाणु रिएक्टर के जीवन के लिए एक 40 वर्ष की आधार-रेखा का इस्तेमाल किया। कई मौजूदा संयंत्रों को अच्छी तरह से संचालित करने के लिए इस अवधि से आगे बढ़ाया गया है और अध्ययनों से पता चला है कि संयंत्र के जीवन को 60 वर्षों तक बढ़ाने से उसकी समग्र लागत नाटकीय रूप से कम हो जाती है।
अन्य ऊर्जा स्रोतों के साथ तुलनात्मक अर्थशास्त्र की ऊपर मुख्य लेख में और परमाणु ऊर्जा बहस में चर्चा की गई है।
अक्सर यह दावा किया गया है कि परमाणु केंद्र अपने उत्पादन में लचीले नहीं होते हैं, जिसका अर्थ है कि चरम मांग को पूरा करने के लिए ऊर्जा के अन्य रूपों की आवश्यकता होगी। हालांकि यह कुछ रिएक्टरों के मामले में सच है, यह अब कम से कम कुछ आधुनिक डिज़ाइन वालों पर लागू नहीं होता। 
परमाणु संयंत्रों को फ्रांस में बड़े पैमाने पर नियमित तौर पर लोड पालन मोड में इस्तेमाल किया जाता है।
उबलते जल के रिएक्टरों में सामान्य रूप से लोड पालन क्षमता होती है, जिसे जल के प्रवाह को बदलने के द्वारा कार्यान्वित किया जाता है।
कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन के जीवन चक्र विश्लेषण की अधिकांश तुलना, परमाणु ऊर्जा को नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों की तुलना में दर्शाती है।
परमाणु ऊर्जा बहस उस विवाद के बारे में है जो परमाणु ईंधन से बिजली पैदा करने के असैनिक उद्देश्यों के लिए परमाणु विखंडन रिएक्टरों की तैनाती और उपयोग के इर्द-गिर्द चलता है। परमाणु ऊर्जा से सम्बंधित विवाद 1970 और 1980 के दशक के दौरान चरम पर था, जब यह कुछ देशों में, "इतना भीषण हो गया जो प्रौद्योगिकी इतिहास में अभूतपूर्व था".
परमाणु ऊर्जा के समर्थकों का तर्क है कि परमाणु ऊर्जा एक संपोषणीय ऊर्जा स्रोत है जो विदेशी तेल पर निर्भरता को कम करते हुए कार्बन उत्सर्जन को कम करता है और ऊर्जा सुरक्षा को बढ़ाता है। समर्थकों का दावा है कि परमाणु ऊर्जा, जीवाश्म ईंधन के प्रमुख व्यवहार्य विकल्प के विपरीत, वास्तव में कोई पारंपरिक वायु प्रदूषण नहीं फैलाती है, जैसे ग्रीन हाउस गैस और कला धुंआ. समर्थकों का यह भी मानना है कि परमाणु ऊर्जा ही अधिकांश पश्चिमी देशों के लिए ऊर्जा में निर्भरता प्राप्त करने का एकमात्र व्यवहार्य रास्ता है। समर्थकों का दावा है कि कचरे के भंडारण का जोखिम छोटा है और जिसे नए रिएक्टरों में नवीनतम प्रौद्योगिकी के उपयोग द्वारा आगे कम किया जा सकता है और पश्चिमी विश्व में अन्य प्रकार के प्रमुख ऊर्जा संयंत्रों की तुलना में, परिचालन सुरक्षा इतिहास उत्कृष्ट रहा है।
विरोधियों का मानना है कि परमाणु ऊर्जा लोगों और पर्यावरण के लिए खतरा उत्पन्न करती है।. इन खतरों में शामिल है रेडियोधर्मी परमाणु अपशिष्ट के प्रसंस्करण, परिवहन और भंडारण की समस्या, परमाणु हथियार प्रसार और आतंकवाद और साथ ही साथ यूरेनियम खनन से होने वाले स्वास्थ्य खतरे और पर्यावरण नुकसान. उनका यह भी तर्क है कि रिएक्टर खुद अत्यधिक जटिल मशीनें हैं जहां बहुत सी बातें गलत हो सकती हैं या कर सकती हैं और कई गंभीर परमाणु दुर्घटनाएं हो चुकी हैं। आलोचक इस बात पर विश्वास नहीं करते हैं कि ऊर्जा के स्रोत के रूप में परमाणु विखंडन के उपयोग के जोखिम को नई प्रौद्योगिकी के विकास के माध्यम समायोजित किया जा सकता है। उनका यह भी तर्क है कि जब परमाणु ईंधन श्रृंखला के सभी ऊर्जा-गहन चरणों पर ध्यान दिया जाता है, यूरेनियम खनन से लेकर परमाणु कार्यमुक्ति तक, परमाणु ऊर्जा, एक निम्न-कार्बन विद्युत् स्रोत नहीं है।
सुरक्षा और अर्थशास्त्र के तर्कों का, बहस के दोनों पक्षों द्वारा इस्तेमाल किया जाता है।