In wezen is het werkingsprincipe van een kerncentrale niet verschillend van dat van een centrale met fossiele brandstoffen. Het enige verschil is de manier waarop warmte wordt opgewekt. Bij kerncentrales worden in een reactor uraniumatomen gesplitst om warmte te produceren, terwijl zogenaamde klassieke centrales warmte opwekken door aardgas, steenkool of aardolie te verbranden.
Het algemene principe bestaat in de omzetting van warmte (opgewekt door het splijtingsproces) in elektriciteit.
De hitte van de kernreactor wordt afgestaan aan water dat via een gesloten kringloop langs de splijtstofstaven circuleert. Dit eerste circuit wordt de primaire kringloop genoemd. Het water in die kringloop bereikt een temperatuur van gemiddeld 300 °C. In een drukwaterreactor kan het water het kookpunt niet bereiken omdat het onder druk staat: daarvoor zorgt de pressurizer of het drukregelvat. Het verhitte water in de primaire kringloop staat op zijn beurt warmte af aan een tweede gesloten circuit, de secundaire kringloop. Beide kringlopen zijn hermetisch van elkaar gescheiden. De warmtewisseling vindt plaats in een stoomgenerator, een grote cilindervormige warmtewisselaar die uit duizenden buizen bestaat. De hitte zet het water van de secundaire kringloop om in stoom.
De stoom die in de secundaire kringloop wordt geproduceerd, zet zich uit over verschillende turbinelichamen en doet de turbine draaien. Een alternator, gekoppeld aan de turbines, zet ten slotte de bewegingsenergie om in elektriciteit die het hoogspanningsnet voedt.
De stoom waarmee de turbines worden aangedreven, koelt vervolgens af in een condensor waar hij opnieuw in water wordt omgezet na in contact te zijn gekomen met duizenden buizen waarin het koelwater van een derde kringloop (op zijn beurt volledig gescheiden van de tweede kringloop) circuleert. Dit water wordt vervolgens naar de stoomgenerator teruggevoerd om er andermaal voor stoomproductie te worden gebruikt.
Naar het voorbeeld van grote thermische centrales beschikken ook kerncentrales over een koeltoren om de temperatuur van het gebruikte koelwater via natuurlijke luchtcirculatie te doen dalen. Zo wordt in kerncentrales het water van de derde kringloop hergebruikt om de stoom in de condensor af te koelen. Slechts 1,5% van dit water verdampt: het is de damppluim die uit de koeltoren ontsnapt.
Door uraniumatomen te splijten, kunnen warmte en stoom worden geproduceerd.
Een splijtingsreactie wordt verkregen door de uraniumkernen te beschieten met neutronen. Door het opslorpen van een neutron dat zich tegen de juiste snelheid verplaatst, splijt de kern in tweeën. Na deze splijting is de massa van de resulterende deeltjes en splijtingsproducten een fractie lichter dan de oorspronkelijke massa van het zware atoom en het neutron. Deze massa wordt omgezet in energie: hier speelt de wet van Einstein (E = mc²).
Omdat er bij de splijting enkele neutronen vrijkomen, veroorzaken die op hun beurt weer nieuwe splijtingen. Zo ontstaat er een kettingreactie die zichzelf onderhoudt. In een kerncentrale controleert de mens deze kettingreactie: ze kan worden gestart en gestopt, en ook gestuurd via een aangepaste dilutie van de primaire kringloop of met behulp van controlestaven in de reactor die de kettingreactie afremmen al naargelang van de behoeften.
