1942年12月2日，由著名物理學家費米主持建造的第一座核反應堆正式運行了。它建在芝加哥大學的運動場下，長156米，寬914米，高65米，每隔一層石墨放一層燃料鈾棒，一共30層。反應堆重1 400噸，有52噸鈾和鈾的氧化物（純鈾6噸），石墨是減速劑，鎘棒是控製棒。核反應堆的成功建立和正常運轉，是人類利用原子能的偉大開端，從生產核燃料及核炸藥鈾和鈈的生產堆開始，進而建造發電核反應堆和研究實驗核反應堆，還有核動力艦船反應堆等。現在全世界共有各類反應堆近千座，進行生產、發電、科研等各項工作，已經成了原子能工業的基礎。
生產堆。從20世紀40年代初到50年代中，一些國家建造核反應堆，都主要是利用反應堆作為中子源生產原子彈裝料鈈－239和氫彈所需要的氚，因此這種核反應堆就叫生產堆。此外，用生產堆的中子源還可以生產工農業生產和醫學上需要的數百種放射性同位素。例如，將鈷－59放在反應堆中輻照後，可生產出一種能放出γ射線的鈷－60。
核電站。用核反應堆中核裂變放出的熱能，經過適當方式使水變成高壓蒸氣，再將水汽分離送往汽輪發電機發電。核電站安全、經濟、幹淨，核電是比較理想的能源。世界上第一座核電站於1954年在前蘇聯建成營運，至今已有近30個國家的數百座核電站在發電，總容量達25億多萬千瓦。而且核電發展前景廣闊。
研究堆。承擔試驗研究任務的反應堆叫研究堆，世界第一座核反應堆就是研究堆。研究堆可分為兩種類型，一種是用來考驗新反應堆燃料、材料和部件的工具堆，它的主要服務對象是動力堆，同時進行新反應堆的物理特性試驗。另一種是中子源堆，主要提供中子束進行研究工作，為物理、化學、生物和醫學研究服務，同時也生產放射性同位素、進行教學和人員培訓。20世紀50—60年代，研究堆發展很快。
動力堆。驅動潛艇、艦船等前進的核反應堆。1954年1月21日，美國建造的世界上第一艘核潛艇“鸚鵡螺”號下水，它重2 800噸，長90米，核發動機占據一半，速度比當時常規潛艇快50%。它以每小時25海裏的航速，連續50天，行程3萬海裏，不需添加燃料，成為橫行海底的“怪物”。核潛艇以核反應堆代替常規潛艇的鍋爐供應蒸汽推動輪機，帶動螺旋槳轉動，推動潛艇前進。1957年，前蘇聯建造的原子能破冰船下北冰洋為商船開道。後來又建造了核動力航空母艦和核動力運輸船等。
此外，從1961年起，已有數十顆人造衛星裝上核電源，起初是放射性同位素電池，1965年之後開始在人造衛星上應用核反應堆電源。
正因為核反應堆用的燃料體積小、重量輕、能量大、時間長、輕便靈活，攜帶方便，所以它才能下海、升空。隨著科學技術的發展，核反應堆將對原子能工業做出新的貢獻。