熱中子反應堆是壹種進行核裂變的反應堆。目前，已經實用化的熱中子反應堆有輕水堆和重水堆。
現在使用的多為輕水堆。
在輕水堆中，水被兼作減速(和石墨壹樣起控制反應速度的作用)和冷卻用。輕水堆又可分壓水型和沸騰水型的，現大多數核電站用的都是壓水型的。
壓水堆最初被用來作核潛艇的動力。它的冷卻水分為壹次系統和二次系統兩部分：
壹次系統的冷卻水保持在約160個大氣壓這樣的高壓，所以加熱到約325℃仍可保持為液體狀態。為了吸收核裂變中的中子，水中加入壹點硼用以調整核反應的速度。壹次冷卻水直接同核裂變部分接觸，將它產生的熱量帶走，經由蒸汽發生器進行熱交換，使二次冷卻水被加熱到沸騰。
二次冷卻水在60個大氣壓下被加熱到275℃，成為蒸汽用來驅動發電用的汽輪機。
壓水堆是利用濃縮鈾工廠提供的低濃度鈾-235作為核燃料。
鈾-235是鈾的壹種放射性同位素，也是自然界中惟壹存在的裂變核燃料，裂變中產生的中子，或被燃料棒中的鈾-238所吸收，或使鈾-235發生裂變，或逸出於燃料棒之外。
如果中子運動速度過快，則使鈾-235發生裂變的機會變小了，所以要用(輕水或重水)和石墨作為減速材料，放在燃料棒四周，使中子速度減慢以有助於使鈾-235發生裂變，減速後的中子能量最後都變為熱能，為了把它送到外部，需要使用冷卻材料(通常也用水)。
同時，把含有硼等吸收中子物質的控制棒放在堆芯中，當它插入燃料中時，產生的中子數量達不到臨界值，裂變無法連續進行下去。當控制棒拔起來時，中子數目加多，通過連鎖反應，鈾的裂變便可連續進行下去。這種速度變慢的中子被稱為熱中子，利用熱中子使鈾-235裂變的核反應堆，稱為熱中子反應堆。
熱中子反應堆中的重水堆，因它所用的冷卻劑是重水(D20)而得名，它與輕水堆核電站相比，具有以下五個特點：
第壹，因重水的慢化性能好，吸收中子少，能用天然鈾作燃料，因而，發展重水堆核電站，不需要建立造價昂貴的鈾同位素分離廠或濃縮鈾廠。
第二，重水堆轉換率比較高，約為80％，可以更有效地利用天然鈾。
第三，重水堆的燃料燒得較透，鈾-235含量低於通常的尾料濃度，約為0.25％，可以把它們暫時儲存起來，等到快堆需要時再提取其中的鈈，而不必急於進行處理，這就使燃料循環大為簡化，從而使費用降低。
第四，在各種熱中子堆中，重水堆所需天然鈾量很少，同時，使所需的初裝料和年需換料量也最小。
第五，重水堆對燃料的適應性很好，既能用天然鈾或濃縮鈾作燃料，又可以用鈾-233、鈾-235或鈈-239以及它們的任何組合作裂變材料，並從壹種燃料循環改變為另壹種循環也很容易。
再者，重水堆中生成的鈈，壹部分在堆內參加裂變放出能量，另壹部分則包含在燃料中，其凈產鈈量要比輕水堆多1.4～1.8倍。這樣，發展重水堆電站，可為發展快中子增殖反應堆電站積累更多的鈈。