核裂变反应堆，也称原子反应堆或核反应堆，是能使核裂变的链式反应在人工控制下持续进行的装置。反应堆的核心部分是堆芯，堆芯由燃料组件和控制棒组件组成。燃料组件由若干根燃料元件按一定方式排列而成。根据反应堆的设计要求，燃料元件中的核裂变燃料可以是不同丰度的低浓铀或其化合物。元件的外表是用锆合金或其他耐热耐蚀的材料制成的密封外壳。控制棒由驱动机构进行升降，以控制链式反应的速率，达到开堆、停堆和调节反应堆功率的目的。反应堆中通常以水、重水、或石墨作为中子慢化剂，以水、重水或氦气为载热剂，分别组成所谓沸水堆，压水堆、重水堆、高温气冷堆等各种类型的反应堆。
核反应堆按用途或功能可以分为：以提供中子和γ射线进行科学研究为主要目的的研究堆；以制备钚、氚为主要目的的生产堆；以供热为主要目的的供热堆；以提供高压蒸汽或高温氦气为主要目的动力堆。有的堆可以兼有一种以上的用途。
由于反应堆的元件用的是低丰度的铀，又是分散布置且不可能像原子弹的装料那样能聚拢压紧，堆芯还有吸引中子能力很强的控制棒，所以反应堆不可能发生核爆炸。此外，反应堆在设计时就要求具有“负温度反应系数”，即当核能释放过快或载热剂未能起到足够的冷却作用致使堆芯温度上升太高时，链式裂变反应将自行减弱。