El elemento principal de una central nuclear es el reactor. Puede haber uno o varios en la misma central. A grandes rasgos, lo que se hace en un reactor nuclear es someter un elemento radiactivo a unas condiciones en las que se le hace calentar un fluido (por ejemplo, agua) de tal modo que se genere vapor, y éste pueda accionar una turbina. En este proceso, lo que se hace es utilizar el calor para producir energía mecánica y usar ésta para generar electricidad. En ese sentido, un reactor nuclear no es muy diferente a una caldera de combustión química donde se haga arder carbón, gas natural u otro combustible para accionar un motor a vapor que a su vez alimente a una dinamo.

Los elementos radiactivos presentes en la naturaleza, de los cuales el uranio es uno de los más abundantes, tienen la peculiaridad de que experimentan un proceso paulatino de desintegración nuclear, que les lleva, con el paso del tiempo, a convertirse en otro elemento; por ejemplo, el uranio se acaba convirtiendo en plomo. En otras palabras, los núcleos de sus átomos se aligeran al perder protones y neutrones. Este fenómeno libera energía. Lo mismo sucede con los elementos radiactivos creados artificialmente, aunque estos suelen ser mucho más inestables y difíciles de obtener. Algunos de ellos se generan como subproducto del funcionamiento de reactores nucleares. 

El número de protones es lo que en un átomo determina su identidad como elemento. El número de neutrones determina a qué variedad isotópica pertenece. Algunas de estas variedades son inestables, y por tanto radiactivas, y pueden ser el resultado de procesos naturales o del funcionamiento de reactores nucleares.

A este proceso de aligeramiento o fraccionamiento del átomo se llama fisión nuclear.

Las condiciones a las que en una central nuclear un elemento radiactivo es sometido para aprovechar su energía derivada de la fisión nuclear son muy distintas de las necesarias para generar una explosión nuclear. Es imposible, por tanto, que un reactor nuclear genere una explosión de esa clase. En otros aspectos, un reactor nuclear sí es comparable a una caldera donde se quema, por ejemplo, gas natural, pero no en cuanto al riesgo de explosión nuclear. Un escape de gas inflamable puede hacer que de una combustión paulatina y controlada se pase a un estallido devastador. Pero en un reactor nuclear no puede generarse una explosión nuclear; el reactor nuclear y la bomba atómica responden a procesos muy diferentes.

Nadie debería, por tanto, angustiarse ante la posibilidad de que la central nuclear de Fukushima Daiichi genere una explosión nuclear como las provocadas por las bombas atómicas que se arrojaron en Hiroshima y Nagasaki en 1945, o las que podrían provocar los modernos misiles nucleares. La contaminación radiactiva es la verdadera amenaza.

Las únicas explosiones que se pueden generar en una central nuclear son de tipo convencional, por reacciones químicas y acumulación de gases a presión, circunstancias que pueden derivar de un calentamiento excesivo del material radiactivo. El uranio, por ejemplo, ya de por sí es muy inflamable. 

Enfriar el combustible (un material radiactivo) de un reactor nuclear no es tarea fácil, ni tampoco extinguir un incendio promovido por materiales radiactivos.

El peligro que entraña una explosión o incendio en una central nuclear, es que abra fisuras o boquetes en las barreras que mantienen aislados del exterior a los materiales radiactivos. Una explosión potente puede actuar como una especie de "bomba sucia", esparciendo polvo y gas radiactivos a su alrededor. Tanto si la liberación de los materiales radiactivos es súbita, como si se produce poco a poco a través de fisuras, el resultado final es que los gases y las partículas sólidas más ligeras pueden propagarse por la atmósfera, llevando la contaminación radiactiva hasta lugares relativamente alejados, aunque ello tiende a implicar que se reduzca su concentración. La dirección y velocidad de los vientos, así como otras condiciones meteorológicas influyen en la evolución y distribución de los materiales radiactivos. 

El aislamiento de los materiales radiactivos, tanto el combustible nuclear como los residuos que genera, es uno de los puntos más críticos en la seguridad de una central nuclear. Para lograr un adecuado confinamiento, se suele recurrir a una configuración comparable a la de una matrioska o muñeca rusa, en que una caja se coloca dentro de otra, y ésta a su vez dentro de una tercera, y así sucesivamente hasta llegar a la caja más externa. El número de barreras de esta clase depende del diseño de cada central nuclear, pero, en líneas generales, no suele superar los tres niveles básicos. Se cuenta con mucho espacio extra dentro de cada contenedor o edificio de contención, ya que, entre otras razones, el calentamiento excesivo de los materiales radiactivos y del refrigerante y otros productos hace que se emitan gases que al acumularse pueden alcanzar una gran presión, capaz de abrir fisuras en los puntos débiles de las estructuras de contención, sobre todo si éstas ya están debilitadas por otras causas.

La seguridad total no existe, y por eso un fuerte terremoto en la zona o un misil convencional disparado contra una central nuclear pueden abrir la brecha fatídica que permita la salida al exterior de materiales radiactivos. Por otra parte, aumentar la seguridad acarrea mayor costo económico, de tal modo que una central nuclear puede, simplemente, dejar de resultar rentable si se aumenta mucho su nivel de seguridad.

La refrigeración del reactor es otro punto crítico de la seguridad de una central nuclear. Un reactor nuclear no puede apagarse como el motor de un automóvil. 

La operación es más complicada, y al núcleo se le debe seguir refrigerando para evitar que se sobrecaliente. También hay que mantenerlo bajo otras condiciones que garanticen su estabilidad. 

En la central nuclear de Fukushima Daiichi, los sistemas de refrigeración no lograron funcionar como deberían haber hecho, y la temperatura del núcleo de varios reactores subió más allá del límite de seguridad. Esa urgencia en enfriarlos fue lo que llevó a que se decidiera inyectarles agua de mar, agregando a ella boro, que es bastante eficaz absorbiendo neutrones. 

Cuando el núcleo de un reactor se calienta demasiado, puede llegar a sufrir una fusión parcial o total. Este fenómeno, que también ha generado mucha alarma social ante lo acaecido en Fukushima Daiichi, no tiene nada que ver con la fusión nuclear.

La fusión nuclear es justo lo contrario de la fisión nuclear. En la fisión nuclear, se quitan piezas de un átomo, por así decirlo, mientras que en la fusión nuclear se le agregan. 

Todas las centrales nucleares actuales en servicio son de fisión nuclear. 

La fusión nuclear para reactores es mucho menos contaminante que la fisión nuclear, pero requiere de tecnología muy avanzada, que todavía está en fase de desarrollo. En su modalidad destructiva, sin embargo, la fusión nuclear ya es viable desde 1952, cuando Estados Unidos probó la primera "Bomba H", haciendo desaparecer la isla de Elugelap y algunos trozos de islas cercanas a ésta.

En el contexto técnico de una central nuclear actual, la fusión del núcleo es simplemente su derretimiento. Si la temperatura se eleva demasiado, el núcleo se funde, convirtiéndose en una especie de lava radiactiva. En tal estado, el material es mucho más peligroso que cuando se halla en estado sólido, ya que pierde consistencia y se puede desparramar por muchas partes, con el riesgo evidente de fundir otros materiales y abrir boquetes en estructuras. A fin de evitar que esta lava ultracaliente y radiactiva se abra paso hasta el exterior o perfore el suelo hasta alcanzar algún acuífero o alguna capa del subsuelo desde la que pueda dar lugar a emanaciones peligrosas, las estructuras de contención deben ser muy robustas y gruesas. Suelen estar hechas básicamente de acero y hormigón, y con ellas se construyen no sólo los muros y el techo sino también el pavimento.

La fusión del núcleo de un reactor es un fenómeno grave, aunque no tanto como sugiere el término "Síndrome de China" con el que también se le llama a veces. El término deriva de la idea ficticia de que el núcleo derretido y constantemente realimentado por el calor de su radiactividad penetraría en el subsuelo sin poder ser detenido por barrera natural alguna, hasta emerger por el extremo opuesto del globo terráqueo. En realidad, si un núcleo fundido se hunde más allá del pavimento de contención, no descendería muchos metros ya que el contacto con el subsuelo le acabaría enfriando lo bastante como para volverlo a solidificar.

Ese enfriamiento por contacto con otros materiales también puede lograr solidificar la lava radiactiva resultante de la fusión de un núcleo, antes de que pueda abrirse paso hacia el exterior del edificio de contención. Cuanto más se esparza, más tenderá a enfriarse. La propia configuración de las estructuras de contención ya está ideada para favorecer la solidificación de la lava radiactiva, reconduciéndola, en la medida de lo posible, hacia los espacios más idóneos.

Un reactor nuclear con sus estructuras de contención dañadas debe ser recubierto con nuevas barreras, en lo que constituye una especie de sarcófago. Aunque el accidente que haya sufrido lo deje inservible, y por eso se le pueda calificar como "muerto", ese cadáver conserva su poder aniquilador durante mucho tiempo. Pueden pasar miles de años hasta que ese poder se extinga. Eso implica que el sarcófago debe mantener perfectamente sellado durante todo ese tiempo el reactor y otras partes peligrosas de la central nuclear que no sea viable limpiar. Por tanto, es imprescindible vigilar el sarcófago con el máximo cuidado y reforzarlo a medida que el paso del tiempo lo desgaste. 

Los costos de crear y mantener un sarcófago de tales características durante milenios, y el de sanear hasta donde sea posible el entorno de la central dañada, menos contaminado pero aún así nocivo, son astronómicos. 

Los residuos nucleares derivados de la actividad normal de una central nuclear también afrontan un problema parecido. Aunque su almacenamiento está planificado de antemano, los miles de años que deberán transcurrir hasta que su peligrosidad descienda a un nivel aceptable, implican afrontar los muchos riesgos que pueden presentarse en un periodo de tiempo tan largo, y que incluyen catástrofes naturales de todo tipo. Por tal razón, el costo económico de custodiar la basura nuclear es también elevado.

Aunque la radiactividad afecta a la salud humana por medio de una variada acción de partículas y rayos, y también a través de los efectos indirectos que se generan a partir de ellos, se pueden resumir las consecuencias en términos de cantidad de radiactividad recibida en un tiempo dado. 

Explicado de manera simplificada, las dosis altas de radiactividad (mucha recibida en un breve intervalo de tiempo) generan quemaduras, tan graves como las que pueda causar el fuego, así como hemorragias, y la víctima puede morir en cuestión de pocos días o varias semanas. Ésta es la clase de efectos que puede sufrir una persona en las inmediaciones de un foco potente de radiactividad, como los operarios de una central nuclear con las barreras de contención del reactor inservibles, o los bomberos y militares que intenten prestar ayuda in situ. Llevar trajes de protección y operar a distancia, como por ejemplo desde helicópteros, reduce la exposición a la radiactividad, pero siempre hay riesgos.

Dosis más bajas, como las que pueda recibir la población de los alrededores, entrañan un riesgo que, básicamente disminuye con la distancia. Por eso son tan importantes las evacuaciones preventivas. En casos de dosis bajas, puede no haber efectos, o bien presentarse años después en forma de enfermedades, destacando el cáncer de tiroides. Algunas medidas farmacológicas orientadas específicamente a bloquear ciertos efectos de la radiactividad también son útiles como estrategia preventiva cuando la persona está en riesgo de exposición a la radiactividad. Las pastillas de yodo repartidas entre los japoneses en riesgo sirven para saturar de yodo "bueno" la tiroides, con el fin de que cuando la persona inhale en el aire el yodo radiactivo (un subproducto de la fusión nuclear) o lo ingiera en comida contaminada, el organismo lo expulse en vez de absorberlo.