核電站與火電站發電過程相同，均是熱能-機械能-電能的能量轉換過程，不同之處主要是熱源部分。火電站是通過化石燃料在鍋爐設備中燃燒產生熱量，而核電站則是通過核燃料鏈式裂變反應產生熱量。
核電站的組成通常有兩部分:核係統及核設備，又稱為核島;常規係統及常規設備，又稱為常規島。這兩部分就組成了核能發電係統。
核島中主要的設備為核反應堆及由載熱劑(冷卻劑)提供熱量的蒸汽發生器，它替代常規火電站中蒸汽鍋爐的作用。常規島的主要設備為汽輪機和發電機及其相應附屬設備，常規島的組成與常規火電站汽輪機大致相同。
(二)核電站反應堆
從理論上講，各種類型的核反應堆均可以進行發電。但從工程技術和經濟運行角度上看，某些類型的核反應堆更適於核能發電。
目前看，工業上成熟的核發電堆主要有輕水堆、重水堆、石墨氣冷堆三種反應堆。
1.輕水堆核電站
輕水堆核電站的設計、建造及運行比較方便、簡單，安全性、可靠性及經濟性都有獨到之處，但輕水堆核電站使用濃縮鈾，故對不具有鈾濃縮能力的國家會帶來不便之處。
2.重水堆核電站
重水堆核電站反應堆以重水作為慢化劑，由於重水的熱中子吸收截麵比輕水熱中子吸收截麵小很多，因此重水堆核電站最大的優越之處是可以使用天然鈾作為核燃料。
重水堆的核電站由於可以使用天然鈾作燃料，且燃料燃燒比較透，故與輕水堆相比，天然鈾消耗量小，可節約天然鈾。除此之外，重水堆對燃料適應性較強，容易改換另一種核燃料，重水堆的缺點是體積大、造價高，由於重水造價高，運行經濟性也低於輕水堆。
3.石墨氣冷堆核電站
石墨氣冷堆是以石墨作慢化劑，以二氧化碳或氦氣作冷卻劑的反應堆。這種堆型至今已經曆了三代變化。
第一代石墨氣冷堆以天然鈾作核燃料，二氧化碳作冷卻劑。冷卻劑氣體流過堆芯，吸收熱量後在蒸汽發生器中將熱能傳遞給二回路的水，產生蒸汽後驅動汽輪發電機發電。這種堆型優點是可以使用天然鈾，缺點是功率密度小，體積大，造價高，天然鈾消耗量大，目前已基本停止建造。
第二代石墨氣冷堆是在第一代基礎上設計出來的。主要改進是使用了2%~3%含量的低濃度鈾，出口蒸汽溫度可達670℃。
第三代石墨氣冷堆也稱為高溫氣冷堆。以氦氣作冷卻劑，石墨作慢化劑。由於堆芯使用了陶瓷燃料及采用惰性氣體氦作冷卻劑，故冷卻劑氣體溫度可高達750℃。高溫氣冷堆的主要優點是因其采用惰性氣體作冷卻劑，故在高溫下也不能活化，不會腐蝕設備和管道。其次石墨熱容量高，堆芯發生事故不會引起迅速升溫，加之以混凝土作壓力殼，故安全性較好。高溫氣冷堆的熱效率較高，可以達40%以上。
(三)核電站的安全運行
自從核能被用於發電以後，核電站的安全運行就一直被人們予以高度的重視並得到公眾最大的關注。人們對核電站的安全主要存在兩大疑點，一是核電站是否會像核彈那樣爆炸?二是核電站的放射性對生物圈的影響到底有多大?
1.核電不是核彈
核電站與核彈都是由原子核的鏈式裂變反應產生能量，其基本原理相同，但核電站與核彈本質上卻存在完全不同的差別。其一，從核燃料上看，核彈是以高富集度的裂變物質作核燃料，鈾-235富集度90%以上，鈈-239富集度93%以上。核電站使用3%左右的低富集度鈾作核燃料，濃度上的差別保證了核燃料不會引起核爆炸。其二，核彈中核燃料的密度非常高，核電站反應堆中的核燃料密度低，不會產生瞬間釋放極大能量的情景;其三，核爆炸的發生需要非常嚴格的條件，原子彈設置了一套複雜、精密的引爆係統，而核反應堆不具備發生核爆炸的引爆條件。原子彈設計目標是產生瞬間超臨界狀態的裂變反應，而核反應堆在設計上是保證核裂變在緩慢、受控狀態下釋放能量。從以上幾點可見，核反應堆不是核彈，也不會發生核爆炸。