Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân là một nhà máy tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân. Khi quá trình sản xuất và xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên.

Bởi vì nhà máy điện hạt nhân được lựa chọn phương án thiết kế an toàn tối ưu, để sao cho dù có phát sinh tai nạn thế nào chăng nữa cũng không gây thiệt hại, tổn thất cho cư dân sống xung quanh. Do đó, chi phí xây dựng cho nhà máy điện hạt nhân ban đầu tương đối cao. Trong quá trình xây dựng, buộc phải kiểm tra gắt gao ở từng công đoạn nhằm đảm bảo an toàn, nên thời gian xây dựng cũng khá dài. Việt Nam nếu xây dựng sẽ cần khoảng 5 năm.

Theo tính toán của các chuyên gia thì chi phí xây dựng cho nhà máy điện hạt nhân so với nhà máy nhiệt điện tương đối cao. Tuy nhiên, khi đi vào vận hành, thì nhà máy điện hạt nhân sẽ đạt được lợi ích tối đa: Nếu vận hành liên tục toàn bộ công suất trong suốt một năm là 24h/ngày, thì có thể khai thác được 100% ưu thế của nhà máy điện hạt nhân. Tuổi thọ thiết kế của nhà máy điện hạt nhân là 50 năm. Nếu bảo dưỡng đầy đủ sẽ có thể kéo dài vận hành tới 60 năm. Việc thay đổi công suất ứng với phụ tải cũng khá đơn giản về mặt kỹ thuật; tỷ lệ chi phí nhiên liệu trong giá thành thấp, nên rất có lợi về kinh tế trong vận hành phụ tải đáy.

Các loại máy điện nguyên tử phổ biến hiện nay thực tế là nhà máy nhiệt điện, chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng. Điểm khác giữa nhà máy điện hạt nhân với nhà máy nhiệt điện là ở chỗ: Nhiên liệu làm sôi nước trong nhà máy nhiệt điện là nhiên liệu hóa thạch, còn trong nhà máy điện hạt nhân, thì nhiên liệu sử dụng là Uranium và nước được đun sôi bên trong lò phản ứng.

Cơ cấu hoạt động của nhà máy điện hạt nhân cũng khác xa với nhà máy nhiệt điện chạy bằng than đá. Cả hai đều làm nóng nước để tạo nên áp suất cao từ hơi nước và từ đó sẽ khởi động turbine. Cốt lõi khác nhau giữa 2 nhà máy này là từ phương pháp đun nóng nước. Một bên thì đốt cháy các nhiên liệu hóa thạch, một bên thì lệ thuộc vào phản ứng hạch tâm với sự bắn phá các nguyên tử để tạo nên nhiệt năng .

Thực ra, nhà máy điện hạt nhân, nếu tính từ việc làm sôi nước, chuyển thành hơi nước và dùng hơi nước làm quay tuốcbin, thì hoàn toàn giống như nhà máy nhiệt điện (than, dầu, khí tự nhiên). Đa số thực hiện phản ứng dây chuyền có điều khiển trong lò phản ứng nguyên tử phân hủy hạt nhân với nguyên liệu ban đầu là đồng vị Uran 235 và sản phẩm thu được sau phản ứng thường là Pluton, các neutron và năng lượng nhiệt rất lớn.

Trong lò phản ứng điện nguyên tử, lõi của các thanh nhiên liệu uranium tác động lẫn nhau để tạo ra nhiệt độ 2.200 độ C. Quy trình bắt đầu bằng nhiệt lượng đun sôi nước, nước biến thành hơi, và hơi được sử dụng để quay một turbine nối liền với một máy phát điện. Sau khi đi qua turbine, hơi nước được làm nguội và ngưng tụ thành nước nhiệt độ thấp. Nước nguội sẽ được đưa trở lại lò phản ứng và quy trình được lập lại. Nước được đun nóng trong quá trình phân tách các nguyên tử uranium sẽ biến thành hơi nước để quay các turbine phát điện. Hơi nước sẽ được ngưng tụ thành nước trở lại và bơm ngược vào lò phản ứng để tiếp tục quy trình.