Ydinvoiman käyttökohteet
Ydinvoimaa käytetään hyvin vaihtelevissa käyttötarkoituksissa voimalaitoksista sukellusveneisiin, satelliiteista majakoihin. Ydinpolttoaineen suuri energiasisältö mahdollistaa toisaalta suurten energiamäärien tuottamisen pienillä materiaalivirroilla tai toisaalta sallii pitkäkestoisen energiantuotannon ilman tarvetta lisätä polttoainetta.
Ydinvoimalaitoksia pidetään teollisuusmaiden jatkuvaan, mittakaavaltaan suureen sähkönkulutukseen sopivana energiamuotona, sillä jo varsin pienellä määrällä voimalaitoksia ja suhteellisen vähäisellä polttoainemäärällä voidaan kattaa teollisuusmaan sähköntarve miltei kokonaan tai osa siitä. Esimerkiksi Ranskassa 78 % kaikesta sähköstä tulee jo ydinvoimasta ja ydinvoiman tuotantoa pyritään edelleen kasvattamaan. Koska sähkömarkkinoilla voimalaitosten ajojärjestyksestä tavallisesti muotoutuu sellainen, että kulutuksen laskiessa ensimmäisinä alas ajetaan kalliiden muuttuvien kustannusten voimalaitokset, suhteellisen edullista sähköä tuottavia ydinvoimaloita käytetään yleensä miltei tauotta. Ydinvoimalan tuotantoa voidaan toki myös säätää ja niin myös paljon ydinsähköä tuottavissa maissa yleisesti tehdään.
1950-luvun jälkeen ydinvoimaloiden määrä on kasvanut huomattavasti. Vuoteen 1964 mennessä maailmassa oli 14 reaktoria kytkettynä sähköverkkoon, vuonna 1970 81 reaktoria, vuonna 1975 jo 167, vuonna 1985 365 ja vuonna 1999 428. Ydinvoimalla tuotetaan tätä nykyä noin 16 % maailman sähköstä  ja 6,5 % kaikesta energiasta .
Maailman ydinvoimajärjestön WNA:n mukaan () 25. toukokuuta 2005 maailmassa oli 439 ydinvoimareaktoria 30 maassa ja niiden yhteenlaskettu sähköteho oli 366 GW. Uusia voimalaitosreaktoreita oli rakenteilla 25, suunnitteilla 39 ja ehdotettu 73. Kaikesta maailman sähköstä noin 16 % tuotetaan ydinvoimalla – mikä tekee ydinvoimasta vesivoiman veroisen maailman toiseksi merkittävimmän kasvihuonekaasupäästöttömän sähköenergianlähteen. Kaikesta tuotetusta energiasta ydinvoimalla tuotetaan noin 7 %. Tuotantoon kulutettiin noin 68 tuhatta tonnia uraania. Tämä määrä mahtuisi kuutioon, jonka särmät ovat 15 metriä pitkät. Laskennallisesti siis koko maailman sähkönkulutus voitaisiin kattaa 400 tuhannella uraanitonnilla vuodessa, mikä mahtuisi kuutioon jonka särmät ovat 30 metriä pitkät.
Kevytvesireaktori (hidastinaineena tavallinen vesi) on selvästi yleisin voimalaitoskäytössä, niitä on yhteensä 355, joista 263 painevesireaktoreita ja 92 kiehutusvesireaktoreita. Seuraavaksi yleisin on CANDU-reaktori, joita on 38. Loput 46 ovat harvinaisempia reaktorityyppejä Näistä 16 on entisen Neuvostoliiton alueella vielä käytössä olevia RBMK-reaktoreita.
Ylivoimaisesti suurin osa kaikista ydinkäyttöisistä aluksista on sukellusveneitä. Muista sotalaivoista suurin osa on lentotukialuksia (11 Yhdysvaltain alusta ja Ranskan FS Charles de Gaulle). Myös Venäjän laivaston Orlan-luokan ohjusristeilijät ovat ydinkäyttöisiä. Näiden lisäksi Yhdysvallat on käyttänyt ydinvoimaa myös risteilijä- ja hävittäjäluokan aluksissa. Muutama alus rakennettiin 1970-luvulla. Niistä luovuttiin vuosituhannen vaihteen tienoilla, eikä uusia ole suunnitteilla. Sukellusveneen ydinpolttoainetta ei yleensä tarvitse vaihtaa koko aluksen käyttöiän aikana kertaakaan. Sukellusveneet pyrkivät pysymään huomaamattomina, ja ydinkäyttöisenä aluksen ei tarvitse nousta pinnalle akkuja lataamaan. Tukialukset ovat käytössä jopa yli 50 vuotta, ja ydinpolttoaineen vaihtaminen käyttöiän aikana on yleensä tarpeellista.
Kauppamerenkulussa ydinvoimalta odotettiin paljon vielä 1950-60 luvuilla. Ydinkäyttöisiä rahtialuksia on kuitenkin rakennettu vain neljä, NS Savannah (Yhdysvallat), NS Otto Hahn (Saksa), NS Mutsu (Japani) sekä NS Sevmorput (Venäjä). Savannah poistettiin liikenteestä 1972, vain kahdeksan vuoden käytön jälkeen. Otto Hahnin reaktori poistettiin 1979, ja alus jatkoi 2000-luvulle asti liikennettä tavanomaisella koneistolla usealla eri nimellä. Japanilainen Mutsu ei koskaan kuljettanut kaupallista rahtia. Alus on muutettu tavaomaisella koneistolla liikkuvaksi merentutkimusalukseksi. Venäläinen Sevmorput kuljetti rahtia arktisilla vesillä vuoteen 2007, jonka jälkeen alus vedettiin telkalle. Semorputosta on tarkoitus muokata maailman ensimmäistä ydinkäyttöistä öljynporausalusta. Alus on jäävahvistettu, ja se voi murtaa metrin paksuista kiintojäätä.
Pohjoisella jäämerellä operoi myös joukko venäläisiä Arktika-luokan jäänmurtajia sekä pohjoisissa joissa kaksi Taimyr-jokimurtajaa.
Pohjoisilla alueilla löytyy myös ydinparistoilla varustettuja majakoita.
Yhteensä maailman merillä on ydinkäyttöisille aluksille tähän mennessä kertynyt 12000 reaktorinkäyttövuotta (WNA: ).
Kauas suuntautuvilla avaruuslennoilla käytetään yleisesti ydinvoimaa, sillä muut voimanlähteet ovat vähemmän kestäviä, suurikokoisempia, vaikeammin ennustettavia tai kuluttavat enemmän polttoainetta. Tavallisin ydinenergianlähde avaruudessa on niin sanottu isotooppiparisto eli RTG (radiothermoelectric generator). Niitä on useimmissa syvälle aurinkokuntaan matkustavissa avaruusluotaimissa ja monilla planeettalennoilla. RTG perustuu radioaktiivisen aineen, usein plutoniumin, hajoamisessa syntyvän lämmön hyödyntämiseen termosähköisen jännitteen luomisessa. Isotooppiparistoja on käytetty mm. Apollo-kuulennoilla ja Cassini-luotaimessa.
Myös ydinreaktoreita käytetään avaruudessa ja sellainen soveltuu myös raketin voimanlähteeksi. Neuvostoliitto lähetti kiertoradalle useita RORSAT-satelliitteja, joiden tutka saa energiansa ydinreaktorista. Yhdysvallat on kehittänyt ydinkäyttöisiä raketteja ja sellaista on myös kokeiltu avaruudessa Snapshot-lennolla 1965. NASAn projekti Prometheuksen tarkoituksena on kehittää ydinraketti tuleviin planeettojen välisiin lentoihin. Historiallisesti Orion-projekti pyrki samaan tavoitteeseen jokseenkin erilaisella tekniikalla. (Simpson, 1995)
Marraskuussa 2009 Venäjä ilmoitti suunnittelevansa ydinrakettia, jolla voitaisiin lentää muun muassa Marsiin. NASA on suunnitellut ydinreaktoreiden käyttämistä Kuu- ja Mars-tukikohtien voimanlähteenä. Aurinkoenergian tuottamat alhaiset tehomäärät eivät välttämättä riitä pitkäaikaiseen oleskeluun vieraalla taivaankappaleella. Lisäksi Kuun kokonaisen kuukauden kestävän yön ajan täytyy saada energiaa jostain muusta lähteestä. Ydinreaktori on kompaktina ja erittäin pitkäkestoisena voimanlähteenä houkutteleva ratkaisu tukikohdan energianlähteeksi.
Ydinvoimalaitos tuottaa suuria määriä energiaa. Koska kaikki ydinreaktorin lämpö ei ole muunnettavissa sähköksi, merkittävä osa energiasta täytyy johtaa lämpönä ympäristöön: vesistöön tai jäähdytystorneihin. On luonteva ajatus, että meren rannalla toimiva ydinvoimalaitos käyttää osan energiastaan suolanpoistoon. Toistaiseksi vedenpuhdistus ydinvoimalla keskittyy meriveden puhdistukseen, mutta samantapaisella prosessilla on mahdollista myös kuumentamalla steriloida makeaa vettä. Nykyisin ydinkäyttöisen vedenpuhdistuksen merkitys on vähäinen koko maailman mittakaavassa, mutta paikallisesti sillä tuotetaan merkittäviä määriä puhdasta vettä.
Suuren lämmöntuotantonsa takia ydinvoiman tiedetään soveltuvan vedenpuhdistukseen ja sitä on tähän tarkoitukseen myös käytetty. Kaspianmeren rannalla Aqtaw'ssa Kazakstanissa toimi vuodesta 1972 vuoteen 1999 BN-350 -tyyppinen hyötöreaktorivoimala, joka tuotti 135 MW sähköä ja 3320 tonnia puhdasta vettä tunnissa. Japanissa on kymmenkunta suolanpoistolaitosta, jotka saavat käyttöenergiansa painevesireaktoreista. Näille reaktoreille on kertynyt yhteensä 100 vuotta reaktorinkäyttökokemusta.
Intiassa Madrakseen suunnitellaan demonstraatiolaitosta, jonka kahdella reaktorilla on tarkoitus tuottaa runsaat 5000 tonnia puhdasta vettä päivässä. Hanke toimii prototyyppinä suuremmille 45 000 tonnin päivätuotantoon kykeneville laitoksille. Kiinassa tutkitaan mahdollisuutta tuottaa 160 000 tonnia puhdasta vettä päivässä ydinvoimalla Yantain alueella. Venäjällä rakennetaan lautoilla siirrettävää KLT-40 -reaktoria vedenpuhdistukseen.
Yhtä lailla kuin vedenpuhdistukseen, ydinreaktorin ylijäämälämpö soveltuu kaukolämmöksi. Tässä tarkoituksessa ydinvoimaa on käytetty Kanadassa, Venäjällä ja eräissä Itä-Euroopan maissa. Ruotsalainen ABB suunnitteli yksinomaan kaukolämmitykseen tarkoitetun kaupunkireaktorin, jonka käyttöönottoa suunniteltiin Pohjoismaissa (Choppin et al., 2002). Myös Loviisan ydinvoimalan lämmön hyödyntämistä kaukolämpönä Pääkaupunkiseudulle on ehdotettu, mutta hanketta ei ole pidetty kannattavana. Ydinvoiman vastustus (katso ydinvoimakeskustelu) on sittemmin lopettanut lähes kaikki hankkeet ydinvoiman käyttämiseksi lämmityksessä, joka sinällään on hyvin ristiriitaista sillä ydinvoiman hukkalämmön talteenotolla pystyttäisiin vähentämään alueellisesti merkittävä määrä lämmityksestä tulevia päästöjä lisäämättä ydinpolttoaineen käyttöä.
Energiantuotannon lisäksi ydinenergialla on lääketieteellistä käyttöä. Tutkimusreaktorit ovat pieniä verrattuna voimalaitoksissa ja merenkulussa käytettyihin reaktoreihin. Esimerkiksi Suomessa, Espoon Otaniememessä käynnistettiin 1962 FiR 1 -reaktori. Reaktorin alkuperäinen käyttötarkoitus oli ennen ydinvoiman energiakäytön aloittamista tutkimus ja koulutus sekä nuklidituotanto. Reaktori suljettiin vuonna 2015. Sen lämpöteho oli 250 kW, joka lauhdutettiin suoraan ulkoilmaan eikä sitä käytetty hyödyksi. Vuodesta 1999 reaktoria käytettiin Suomessa kehitetyn BNCT- eli boorisädehoidon antamiseen pään ja kaulan alueiden syövän hoitoon. Hoitotapa on toistaiseksi kokeellinen, mutta sillä on saatu lupaavia tuloksia.  Reaktorin omistaa VTT.
Kylmän sodan aikana sekä Yhdysvallat että Neuvostoliitto suunnittelivat ydinkäyttöisiä pommikoneita. Yhdysvaltain Convair X-6 ja Neuvostoliiton Tupolev Tu-119 hylättiin pian koelentojen jälkeen. Molemmissa projekteissa suurin syy hylkäykseen oli ydinreaktorin liian suuri turvallisuusriski.
Vaikka ydinvoimalan polttoaine ei sovellukaan sellaisenaan käytettäväksi ydinaseissa, koska sen rikastusaste on vain 3–5% ja vaikka rikastaminen onkin teknisesti vaativa ja hankalasti toteutettava prosessi, on sitä vastoin varsin helppoa laimentaa ydinräjähteiden materiaaleja n. 90% siten, että ne voidaan hävittää ydinreaktorin polttoaineena. Tällä hetkellä ydinaseriisuntasopimusten mukaisesti ydinräjähteitä hävitetään aktiivisesti Yhdysvalloissa ja Venäjällä. Yhdysvaltojen sähköntuotannosta noin 10% on peräisin hävitettävistä ydinaseista saatavasta ydinpolttoaineesta, mikä vastaa noin puolta maan kaikesta ydinsähköstä. Ilman luotettavaa tapaa tuhota ydinasemateriaaleja ydinaseriisunnan käytännön toteutus olisi vaikeaa tai miltei mahdotonta. Ydinaseista saatavan MOX-polttoaineen käyttäminen voimalaitoksissa on kohdannut vastustusta eri järjestöiltä (katso ydinvoimakeskustelu). (Hore-Lacey, 2003)