In een kerncentrale maakt men gebruik van de 'brandstof' uranium (vaak aangevuld met plutonium, hetzij gevormd in de reactor zelf door uranium-238, hetzij in de vorm van MOX-brandstof waarin plutonium is gerecycleerd) om warmte te genereren. Hiermee produceert men stoom om via een turbine een elektrische generator aan te drijven. Bij het splijten van uranium komt een grote hoeveelheid warmte vrij. Dit splijtingsproces vindt plaats in de kernreactor van de centrale. Voor het splijtingsproces in een kernreactor wordt meestal een specifieke isotoop van uranium gebruikt: uranium-235. In natuurlijk uranium zit gemiddeld 0,7% van dit uranium-235. De meeste kernreactoren hebben uranium nodig waarin minstens drie procent uranium-235 aanwezig is. De tussenstap die hiervoor nodig is, heet verrijking. Het is ook mogelijk om uranium-238, plutonium of thorium te splijten.

Het verrijkte uranium, waarin veelal nog meer dan 95 procent uranium-238 zit, komt in dichtgelaste staven in de reactor. Dit zijn de zogenoemde splijtstofstaven. De atoomkern van uranium-235 kan gemakkelijk worden gespleten wanneer het een neutron absorbeert. Het atoom valt uit elkaar in brokstukken (splijtingsproducten) en zendt daarbij ook neutronen uit. De neutronen kunnen bij een ander atoom uranium-235 een nieuwe kernsplijting veroorzaken. Daarbij ontstaan opnieuw warmte en enkele neutronen, die elk weer een nieuw atoom kunnen raken. Zo ontstaat een kettingreactie. Alle splijtingen samen zorgen ervoor dat een kerncentrale kan draaien.

De term 'thermische' centrale of 'thermische' reactor slaat niet op het feit dat elektriciteit uit warmte wordt geproduceerd, maar op de thermische neutronen. Deze term impliceert dat de neutronen in de reactor worden afgeremd totdat ze kunnen worden opgevangen door de U-235 atoomkernen in de brandstofstaven. Dit afremmen gebeurt door een zogenaamde moderator. Een moderator is bij voorkeur een stof die bestaat uit lichte atomen, zoals water, zwaar water of koolstof (grafiet). Doordat de neutronen tegen deze lichte atomen botsen, remmen ze af van ongeveer 10% van de lichtsnelheid tot een paar kilometer per seconde. Deze 'langzame' neutronen hebben een snelheidsverdeling die meer lijkt op de 'thermische' Maxwellverdeling. De U-235 atoomkernen kunnen de snelle neutronen niet opvangen; de langzame worden wel opgevangen, en zorgen dat de U-235 atomen splijten. Een thermische reactor draait dus voornamelijk op direct splijtbare atomen als brandstof. Om ook U-238 (efficiënt) als brandstof te gebruiken is een 'snelle' reactor nodig, waarbij de snelle neutronen worden ingevangen in het U-238 om de eveneens splijtbare isotoop plutonium-239 te vormen.