发电是核能的主要利用方式。核电站由核岛和常规岛组成。以最常用的压水堆为例，核岛又称——回路系统，其作用相当于普通火力发电厂的高压蒸汽锅炉，核心是一个封装在钢壁厚200毫米压力壳中的反应堆。主泵将高压冷却剂（一回路水）送入反应堆，带出核燃料释放的热能；冷却剂由反应堆进入蒸发器，将热量传给管外的二回路水，使之沸腾为蒸汽。流过蒸发器的冷却剂再由主泵送回反应堆循环使用。上述部件全部安装在内衬钢板的预应力钢筋混凝土厚墙厂房——安全壳中。常规岛又称二回路系统，与普通火力发电厂利用蒸汽发电的汽轮发电机系统基本相同，包括汽轮机、发电机、凝汽器、给水泵及冷却水系统。
一座90万千瓦的压水堆核电站约装80吨二氧化铀，每年换料约1/3，换入元件中铀-235的丰度为3％，即每年需要补充的燃料元件只约30吨重，“烧”掉的铀-235约重1吨。与同等功率的火力发电厂每年需燃煤270万吨相比，运输量上形成非常鲜明的对照。
核能发电40多年来发展很快，至2004年底全世界已有30个国家431个机组在运行，总净电功率达34255.4万千瓦，发电量占世界总发电量的17％。核电容量超过700万千瓦的有11个国家：国家机组数净电功率（千万瓦）
美国1099967.3
法国555737.3
日本503965.5
德国212281.8
俄国251979.9
加拿大221543.9
英国351272.8
乌克兰141209.5
瑞典121007.5
韩国10817.5
西班牙9710.1
2004年，法国的核电在总发电量中的比例为76％，乌克兰为36.7％，韩国为36.2％，美国为22.5％。比例最高的国家是立陶宛，达87.5％，全年核电产量为118.24亿度，其中约20％售给了俄罗斯和白俄罗斯。目前，全世界还有64个核电机组正在建设中，总净电功率为5596.8万千瓦，平均单机容量高于现有水平。
核电发展如此迅速的原因，在于其突出的优点：1.有力地弥补碳氢燃料及水力资源的不足。
2.价格普遍低于火电15％～40％。
3.核电站对环境污染和危害远小于燃煤的火电站。
动力堆提供的蒸汽可以作为舰船的动力。在原子破冰船，原子客轮、核动力航空母舰，核潜艇等舰船中，以潜艇使用核动力优点最突出：它一次装料可续航40万海里以上，是常规潜艇40倍；单次潜航距离可达4万海里，是使用蓄电池的常规潜艇的100倍；此外，航速可提高约一倍，机动性和隐蔽性大为改善。全世界共建造过400余艘核动力潜艇，正在服役的约300艘。此外，反应堆也可作为取暖或工业上低温热源。这种供热堆不需发生高压蒸汽，故建造价格低得多。