热中子反应堆是一种进行核裂变的反应堆。目前，已经实用化的热中子反应堆有轻水堆和重水堆。
现在使用的多为轻水堆。
在轻水堆中，水被兼作减速（和石墨一样起控制反应速度的作用）和冷却用。轻水堆又可分压水型和沸腾水型的，现大多数核电站用的都是压水型的。
压水堆最初被用来作核潜艇的动力。它的冷却水分为一次系统和二次系统两部分：
一次系统的冷却水保持在约160个大气压这样的高压，所以加热到约325℃仍可保持为液体状态。为了吸收核裂变中的中子，水中加入一点硼用以调整核反应的速度。一次冷却水直接同核裂变部分接触，将它产生的热量带走，经由蒸汽发生器进行热交换，使二次冷却水被加热到沸腾。
二次冷却水在60个大气压下被加热到275℃，成为蒸汽用来驱动发电用的汽轮机。
压水堆是利用浓缩铀工厂提供的低浓度铀-235作为核燃料。
铀-235是铀的一种放射性同位素，也是自然界中惟一存在的裂变核燃料，裂变中产生的中子，或被燃料棒中的铀-238所吸收，或使铀-235发生裂变，或逸出于燃料棒之外。
如果中子运动速度过快，则使铀-235发生裂变的机会变小了，所以要用（轻水或重水）和石墨作为减速材料，放在燃料棒四周，使中子速度减慢以有助于使铀-235发生裂变，减速后的中子能量最后都变为热能，为了把它送到外部，需要使用冷却材料（通常也用水）。
同时，把含有硼等吸收中子物质的控制棒放在堆芯中，当它插入燃料中时，产生的中子数量达不到临界值，裂变无法连续进行下去。当控制棒拔起来时，中子数目加多，通过连锁反应，铀的裂变便可连续进行下去。这种速度变慢的中子被称为热中子，利用热中子使铀-235裂变的核反应堆，称为热中子反应堆。
热中子反应堆中的重水堆，因它所用的冷却剂是重水（D20）而得名，它与轻水堆核电站相比，具有以下五个特点：
第一，因重水的慢化性能好，吸收中子少，能用天然铀作燃料，因而，发展重水堆核电站，不需要建立造价昂贵的铀同位素分离厂或浓缩铀厂。
第二，重水堆转换率比较高，约为80％，可以更有效地利用天然铀。
第三，重水堆的燃料烧得较透，铀-235含量低于通常的尾料浓度，约为025％，可以把它们暂时储存起来，等到快堆需要时再提取其中的钚，而不必急于进行处理，这就使燃料循环大为简化，从而使费用降低。
第四，在各种热中子堆中，重水堆所需天然铀量很少，同时，使所需的初装料和年需换料量也最小。
第五，重水堆对燃料的适应性很好，既能用天然铀或浓缩铀作燃料，又可以用铀-233、铀-235或钚-239以及它们的任何组合作裂变材料，并从一种燃料循环改变为另一种循环也很容易。
再者，重水堆中生成的钚，一部分在堆内参加裂变放出能量，另一部分则包含在燃料中，其净产钚量要比轻水堆多14～18倍。这样，发展重水堆电站，可为发展快中子增殖反应堆电站积累更多的钚。