1942年12月2日，由著名物理学家费米主持建造的第一座核反应堆正式运行了。它建在芝加哥大学的运动场下，长156米，宽914米，高65米，每隔一层石墨放一层燃料铀棒，一共30层。反应堆重1 400吨，有52吨铀和铀的氧化物（纯铀6吨），石墨是减速剂，镉棒是控制棒。核反应堆的成功建立和正常运转，是人类利用原子能的伟大开端，从生产核燃料及核炸药铀和钚的生产堆开始，进而建造发电核反应堆和研究实验核反应堆，还有核动力舰船反应堆等。现在全世界共有各类反应堆近千座，进行生产、发电、科研等各项工作，已经成了原子能工业的基础。
生产堆。从20世纪40年代初到50年代中，一些国家建造核反应堆，都主要是利用反应堆作为中子源生产原子弹装料钚－239和氢弹所需要的氚，因此这种核反应堆就叫生产堆。此外，用生产堆的中子源还可以生产工农业生产和医学上需要的数百种放射性同位素。例如，将钴－59放在反应堆中辐照后，可生产出一种能放出γ射线的钴－60。
核电站。用核反应堆中核裂变放出的热能，经过适当方式使水变成高压蒸气，再将水汽分离送往汽轮发电机发电。核电站安全、经济、干净，核电是比较理想的能源。世界上第一座核电站于1954年在前苏联建成营运，至今已有近30个国家的数百座核电站在发电，总容量达25亿多万千瓦。而且核电发展前景广阔。
研究堆。承担试验研究任务的反应堆叫研究堆，世界第一座核反应堆就是研究堆。研究堆可分为两种类型，一种是用来考验新反应堆燃料、材料和部件的工具堆，它的主要服务对象是动力堆，同时进行新反应堆的物理特性试验。另一种是中子源堆，主要提供中子束进行研究工作，为物理、化学、生物和医学研究服务，同时也生产放射性同位素、进行教学和人员培训。20世纪50—60年代，研究堆发展很快。
动力堆。驱动潜艇、舰船等前进的核反应堆。1954年1月21日，美国建造的世界上第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号下水，它重2 800吨，长90米，核发动机占据一半，速度比当时常规潜艇快50%。它以每小时25海里的航速，连续50天，行程3万海里，不需添加燃料，成为横行海底的“怪物”。核潜艇以核反应堆代替常规潜艇的锅炉供应蒸汽推动轮机，带动螺旋桨转动，推动潜艇前进。1957年，前苏联建造的原子能破冰船下北冰洋为商船开道。后来又建造了核动力航空母舰和核动力运输船等。
此外，从1961年起，已有数十颗人造卫星装上核电源，起初是放射性同位素电池，1965年之后开始在人造卫星上应用核反应堆电源。
正因为核反应堆用的燃料体积小、重量轻、能量大、时间长、轻便灵活，携带方便，所以它才能下海、升空。随着科学技术的发展，核反应堆将对原子能工业做出新的贡献。