Lo que se produce en un reactor nuclear es una reacción en cadena controlada mediante dispositivos especiales. El principio elemental de funcionamiento de un reactor nuclear es la rotura (fisión) de los núcleos de los átomos de la masa del material fisionable (denominado combustible nuclear) por medio de los neutrones capturados por ellos, con liberación de energía térmica y emisión de algunos neutrones (entre dos y cuatro; estadísticamente 2,56 por cada fisión), además de la formación de dos núcleos de masas inferiores. Los neutrones emitidos en cada fisión -una vez reducida su velocidad por medio de una sustancia situada entre los elementos del combustible y denominada moderador o diluyente, según los tipos- producen el bombardeo de otros núcleos, provocando su fisión y dando lugar así a una reacción en cadena.
El fenómeno se encuentra ligado esencialmente a las leyes de la probabilidad, de las que depende la posibilidad de que un neutrón libre sea capturado por un núcleo fisionable antes de salir de la masa activa de combustible, garantizando así la continuidad de la reacción. Esta probabilidad es tanto mayor cuanto más eficaz es la reducción de la velocidad de los neutrones y cuanto mayor es la masa de material fisionable. En todo reactor esta masa no puede ser inferior a cierto valor, denominado masa critica, por debajo de la cual la reacción en cadena no tiene lugar.
Cuando un átomo de uranio-235 choca con un neutrón, su núcleo se escinde dando origen a 2 núcleos más ligeros, a 2 o 3 neutrones y a una notable cantidad de energía. Cada uno de los neutrones producidos choca con otro átomo de uranio y el proceso se repite, afectando cada vez a un número mayor de átomos.
