นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932. แนวคิดของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ถูกสร้างขึ้นโดยนิวตรอนเป็นสื่อกลาง, ถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักวิทยาศาสตร์ฮังการี Leó Szilárd, ในปี 1933 เขายื่นจดสิทธิบัตรสำหรับความคิดของเขาในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ง่ายในปีต่อมา ขณะที่เขาทำงานที่กระทรวงทหารเรือในกรุงลอนดอน[13]. อย่างไรก็ตามความคิด Szilárd ไม่ได้รวมความคิดของนิวเคลียร์ฟิชชั่นว่าเป็นแหล่งของนิวตรอน, เนื่องจากกระบวนการนั้นยังไม่ได้ถูกค้นพบ ความคิดของ Szilárd สำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์โดยการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ ที่กำเนิดจากนิวตรอนเป็นสื่อกลางในองค์ประกอบเบาได้พิสูจน์แล้วว่าทำงานไม่ได้

แรงบันดาลใจสำหรับรูปแบบใหม่ของเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ยูเรเนียมมาจากการค้นพบของลีซ ไมต์เนอ, ฟริตซ์ Strassmann และอ็อตโต ฮาห์นในปี 1938 ที่การระดมโจมตีของยูเรเนียมด้วยนิวตรอน (ที่จัดการโดยปฏิกิริยาอัลฟาในเบริลเลียมฟิวชั่น "ปืนครกนิวตรอน") ที่ผลิตสารตกค้างแบเรียม, ซึ่งพวกเขาให้เหตุผลที่ถูกสร้างขึ้นโดยการทำฟิชชั่นของนิวเคลียสของยูเรเนียม. การศึกษาต่อในช่วงต้นปี 1939 (หนึ่งของการศึกษานี้ทำโดย Szilárd และ Fermi) เปิดเผยว่าหลายนิวตรอนได้รับการปล่อยตัวในระหว่างการทำฟิชชั่น, ทำให้มีโอกาสในการเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ที่ Szilárd ได้จินตนาการไว้หกปีก่อนหน้านี้

เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม 1939 Albert Einstein ลงนามในจดหมายถึงประธานาธิบดีโรสเวลต์ (เขียนโดย Szilárd) แนะนำว่าการค้นพบของการฟิชชั่นของยูเรเนียมอาจนำไปสู่​​การพัฒนาของ "ระเบิดที่มีประสิทธิภาพสูงมากของรูปแบบใหม่", เพื่อเป็นแรงผลักดันให้ทำการศึกษาเครื่องปฏิกรณ์และฟิชชั่น. Szilárd และ Einstein รู้กันดีและได้ทำงานร่วมกันหลายปีก่อน, แต่ Einstein ไม่เคยคิดเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานนิวเคลียร์นี้จนกระทั่งซิลาร์ดรายงานมันกับเขา, ที่จุดเริ่มต้นของการแสวงหาของเขาในการเขียน'จดหมาย Einstein-Szilárd' เพื่อแจ้งเตือนรัฐบาลสหรัฐ

ไม่นานหลังจากเยอรมนีของฮิตเลอร์บุกโปแลนด์ในปี 1939, เริ่มต้นสงครามโลกครั้งที่สองในยุโรป. สหรัฐอเมริกาก็ยังไม่อยู่ในภาวะสงครามอย่างเป็นทางการ, แต่ในเดือนตุลาคม, เมื่อจดหมาย Einstein-Szilárd ถูกส่งไปยังโรสเวล, เขาให้ความเห็นว่าวัตถุประสงค์ของการทำวิจัยคือเพื่อให้แน่ใจว่า "พวกนาซีจะไม่ระเบิดเราทิ้ง". โครงการนิวเคลียร์ของสหรัฐอเมริกาก็ตามมา, แม้ว่าจะมีความล่าช้าบางอย่างที่ยังถูกมองในแง่ร้าย (บางส่วนจาก Fermi) และยังมีการดำเนินการเพียงเล็กน้อยจากเจ้าหน้าที่ในรัฐบาลบางคน ที่ถูกกล่าวหาในตอนแรกว่ามีการเลื่อนโครงการไปข้างหน้า

ปีต่อมา รัฐบาลสหรัฐได้รับบันทึก Frisch-Peierls จากสหราชอาณาจักรที่ระบุว่าปริมาณของยูเรเนียม ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาลูกโซ่จะต่ำกว่าที่คิดไว้ก่อนหน้านี้มาก บันทึกถูกเขียนขึ้นโดย 'คณะกรรมการ MAUD' ซึ่งกำลังทำงานในโครงการระเบิดปรมาณูของสหราชอาณาจักรที่เรียกว่า Tube Alloys หลังจากนั้นจะถูกควบรวมอยู่ภายใน 'โครงการแมนฮัตตัน'

ในที่สุดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เทียมเครื่องแรก, Chicago Pile-1, ถูกสร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยชิคาโก, โดยทีมงานที่นำโดยเอนรีโก Fermi ในปลายปี 1942. ในเวลานั้น โครงการได้รับการกดดันเป็นปีโดยการเข้าร่วมในสงครามของสหรัฐ. โครงการเสาเข็มชิคาโกประสบความสำเร็จขั้น'มวลวิกฤต'ในวันที่ 2 ธันวาคม 1942[14] เวลา 15:25 น. โครงสร้างที่รองรับเครื่องปฏิกรณ์ทำจากไม้, ซึ่งรองรับเสาเข็ม (จึงเป็นที่มาของชื่อ)ทำด้วยบล็อกแกรไฟท์, ที่ภายในถูกฝังด้วยยูเรเนียมออกไซด์ธรรมชาติรูป 'pseudospheres' หรือ 'ลูกกลม'

ไม่นานหลังจากโครงการเสาเข็มชิคาโก, กองทัพสหรัฐได้พัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จำนวนมากสำหรับ'โครงการแมนฮัตตัน'ที่จะเริ่มในปี 1943 วัตถุประสงค์หลักสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่ที่สุด (ติดตั้งที่ Hanford ในรัฐวอชิงตัน) ก็คือเพื่อผลิตพลูโตเนียมจำนวนมากๆสำหรับอาวุธนิวเคลียร์ Fermi และ Szilard ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ในวันที่ 19 ธันวาคม 1944 การอนุมัติถูกเลื่อนออกไปเป็นเวลา 10 ปีเพราะเป็นความลับของสงคราม[15]

"โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกของโลก" ถูกอ้างสิทธ์โดยสัญญลักษณ์ที่สถานที่ติดตั้งของ EBR-I, ซึ่งปัจจุบันเป็นพิพิธภัณฑ์ใกล้ Arco, รัฐไอดาโฮ. แต่เดิมเรียกว่า "Chicago Pile-5", มันดำเนินการภายใต้การดูแลของวอลเตอร์ ซินน์ สำหรับ'ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอน'[16]. การทดลองกับเครื่องปฏิกรณ์แบบ LMFBR (liquid metal fast breeder reactor)นี้ดำเนินการโดย'คณะกรรมการพลังงานปรมาณูสหรัฐอเมริกา'ที่ผลิต 0.8 กิโลวัตต์ในการทดสอบครั้งหนึ่งเมื่อวันที่ 20 ธันวาคม 1951[17] และ 100 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า) ในวันรุ่งขึ้น[18], ด้วยการออกแบบที่มีกำลังการส่งออกที่ 200 กิโลวัตต์ (ไฟฟ้า)

นอกเหนือจากการใช้งานเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในทางทหาร, ยังมีเหตุผลทางการเมืองที่จะติดตามการใช้งานพลังงานปรมาณูด้านพลเรือน. ประธานาธิบดีสหรัฐ ดไวต์ ไอเซนฮาว ได้กล่าวสุนทรพจน์เกี่ยวกับ 'พลังงานปรมาณูเพื่อสันติ' ที่มีชื่อเสียงของเขาที่ 'สมัชชาใหญ่องค์การสหประชาชาติ' เมื่อวันที่ 8 ธันวาคม 1953 ศิลปะทางการทูตแบบนี้นำไปสู่​​การแพร่กระจายของเทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์ให้กับสถาบันต่างๆของสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก

โรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์แห่งแรกที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางพลเรือนคือโรงไฟฟ้​​านิวเคลียร์ AM-1 Obninsk, เปิดตัววันที่ 27 มิถุนายน 1954 ในสหภาพโซเวียต. มันผลิตไฟฟ้าได้ประมาณ 5 เมกะวัตต์

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง, ทหารสหรัฐขอใช้เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในกิการอื่น ๆ การวิจัยโดยกองทัพบกและกองทัพอากาศไม่เคยบรรลุผล แต่กองทัพเรือสหรัฐประสบความสำเร็จเมื่อพวกเขาจ่ายพลังงานไอน้ำให้กับเรือ ยูเอสเอส Nautilus (SSN-571) ด้วยพลังงานนิวเคลียร์ในวันที่ 17 มกราคม 1955

สถานีไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์สถานีแรกคือ Calder Hall ใน Sellafield, อังกฤษถูกเปิดในปี 1956 มีกำลังการผลิตเริ่มต้นจาก 50 เมกะวัตต์ (200 MW ในภายหลัง)[19][20]

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบพกพาเครื่องแรกคือ "Alco PM-2A" ใช้ในการสร้างพลังงานไฟฟ้า (2 เมกะวัตต์) ใน Camp Century ในปี 1960[21]