核反應堆（英語：Nuclear Reactor），又稱原子反應堆或反應堆，是裝配了核燃料以實現大規模可控制裂變鏈式反應的裝置，是一種啟動、控制并維持核裂變或核聚變鏈式反應的裝置。在反應堆之中，核變的速率可以得到精確的控制，其能量能夠以較慢的速度向外釋放，供人們利用。
核反應堆，是一種啟動、控制并維持核裂變或核聚變鏈式反應的裝置。相對于核武爆炸瞬間所發生的失控鏈式反應，在反應堆之中，核變的速率可以得到精確的控制，其能量能夠以較慢的速度向外釋放，供人們利用。
核反應堆有許多用途，最重要的用途是產生熱能，用以代替其他燃料，產生蒸汽發電或驅動航空母艦等設施運轉。當前（截至2011年）全部商業核反應堆都是基于核裂變的，其裂變產物可以生產核武器之中使用的钚。
人類歷史上公認的第一個核反應堆是由恩里科·費米于1942年在芝加哥大學負責設計建造的Chicago Pile-1；該核反應堆輸出功率僅為0.5W。
1954年，蘇聯建成了世界上第一座純民用的AM-1 Obninsk 原子能發電站，裝機容量為5百萬瓦。
1960年，美國制造8座輸出達2 MW的攜帶型核子反應爐Alco PM-2A供應該國陸軍在格陵蘭的Camp Century計劃使用。
1972年，法國工人們在非洲加蓬的奧克洛（Oklo）地區發現了輸出達100kW的遠達20億年前天然形成的核子反應堆。
當一個原子數較高的核子（例如U-235或Pu-239）吸收一個中子時會形成一個激發態的核子，然后裂變為兩個或更多個輕核。釋放出的動能、伽瑪射線和若干個中子，統稱為裂變產物。其中有些中子可能被下一個重核吸收，引發下一個裂變反應，釋放出更多的中子，依此類推，這個反應就是鏈式反應。但是動量太高的中子不容易被重核吸收，需要慢化劑來減速中子。而太多中子會使反應過快失去控制，可以用一些對中子吸收截面較大的核素來吸收中子抑制鏈式反應。通過中子減速劑與吸收劑，來增加和降低反應速率以控制反應堆的輸出功率。
一般常用的中子慢化劑有輕水（即H2O）（世界上75％的反應堆用水做慢化劑），固體石墨（20％）（切爾諾貝利電廠為著名的例子）和重水（即D2O）（5％）。在一些實驗堆中，甲烷和Be也被用來做慢化劑。
熱能的產生在反應堆里，熱能主要有以下幾個來源：
1.反應碎片通過和周圍原子的碰撞，把自身的動能傳遞給周圍的原子。
2.裂變反應產生的伽瑪射線被反應堆吸收，轉化為熱能。
3.反應堆的一些材料在中子的照射下被活化，產生一些放射性的元素。這些元素的衰變能轉化為熱能。這種衰變熱會在反應堆關閉后仍然存在一段時間。
4.1千克U235完全裂變得到的熱能等于3千噸煤燃燒所釋放的能量。
冷卻在反應堆里，一般用水做冷卻劑（輕水或重水），也有用氣體或融鹽的。冷卻劑通過泵浦在堆芯里循環流動，同時把通過裂變產生的熱傳遞出來。一般的反應堆的冷卻系統和熱機是分開的，例如壓水堆。也有的反應堆，蒸氣是由反應堆直接加熱得到的，例如沸水堆。
反應堆控制反應堆的輸出功率，或者說反應率，是通過控制堆芯內的中子密度和能量來控制的。
控制棒由中子強吸收材料做成。如果有很多的中子被控制棒吸收，就意味著就少一些中子引發鏈式反應。因此，把控制棒插入堆芯，將會減慢反應速率，降低輸出功率。相反，將控制棒抽出，鏈式反應的速率將會增加，輸出功率也會增加。
在一些反應堆里，冷卻劑同時也起慢化的作用。慢化劑通過和快中子的碰撞，吸收中子的能量，使快中子能量降低，成為熱中子。而熱中子引發核反應的截面更大些。因此慢化劑密度高，將會增加反應堆的功率輸出。而溫度高，冷卻劑的密度會降低，慢化作用降低，反應速率下降。另一些反應堆里，冷卻劑會吸收中子，起到控制棒的作用。在這些反應堆里，可以通過加熱冷卻劑來提高反應堆的功率。
反應堆都有自動和手動的系統來防止意外事件的發生，當出現意外事件時，將有大量的中子強吸收材料注入，使反應堆關閉。
發電由鏈式反應釋放出的能量通過冷卻劑傳導出來，加熱水，產生蒸氣，推動發電機發電。
