Атомная тепловая станция (АТС) вырабатывает тепловую энергию путем использования энергии, выделяемой при протекании контролируемых ядерных реакций.
Ядерными реакциями (ЯР) называются процессы превращения атомных ядер, происходящие при их взаимодействии с элементарными частицами, гамма-квантами и друг с другом. ЯР бывают экзотермическими (протекающие с выделением энергии в виде тепла) и эндотермическими (протекающие с поглощением энергии). Основу атомной энергетики составляют экзотермические реакции.

Существует несколько видов реакторов. Наиболее распространённым является реактор на медленных нейтронах. В таких реакторах происходит цепная реакция. При столкновении теплового (медленного) нейтрона с изотопом урана происходит реакция с образованием двух новых ядер и трёх нейтронов:
Получившиеся в результате реакции нейтроны имеют большие энергии (больше 1 МэВ). Быстрые нейтроны не вызывают расщепления ядра, а расходуют свою энергию на его возбуждение. Поэтому в данном виде реактора используется замедлитель (вода, тяжёлая вода, бериллий, графит), который уменьшает энергию нейтронов до теплового уровня, необходимого для протекания указанной выше реакции.
В другом типе реактора, на быстрых нейтронах, не используется замедлитель, а реакция протекает с быстрыми нейтронами. Но в этом случае требуется значительно большая концентрация урана, чего достичь сложно. Поэтому такие реакторы почти не используются.
Активная зона реактора на тепловых нейтронах состоит из замедлителя, ядерного топлива и теплоносителя. Теплоносителем чаще всего является вода. Множество трубок с водой омывают стержни с ядерным топливом, где происходит реакция, и отбирают выделившееся при реакции тепло. Потом нагретая вода транспортируется либо в змеевик, где происходит теплообмен с другим теплоносителем, либо непосредственно в область потребления тепловой энергии.
Несмотря на то, что принцип работы АТС значительно проще, чем принцип работы атомной электростанции (АЭС) (АТС является, по сути, её составной частью), АТС широкого применения в мире пока не нашла. В первую очередь это можно объяснить тем, что везде, кроме России, тепло не транспортируется от тепловых станций на большие расстояния, а вырабатывается в небольших котельных, которыми оснащён каждый дом или район. Поэтому идея использования АТС для обогрева помещений развивалась только в СССР (и продолжает развиваться в России). Первые проекты таких станций были разработаны в 70-е годы 20-го века, но из-за наступивших в конце 80-х годов серьёзных экономических потрясений и из-за психологической боязни населения атомной энергетики после Чернобыльской катастрофы до конца ни один из них реализован не был.
Исключение составляет лишь Билибинская АЭС, имеющая небольшую мощность. Билибинская – единственная АЭС, расположенная в зоне вечной мерзлоты. Она вырабатывает как электроэнергию, так и тепловую энергию для отопления небольшого городка Билибино (10 тыс. жителей) в Чукотском автономном округе.
Также существует Сибирская АЭС, главной задачей которой является выработка плутония, а полезными побочными эффектами является снабжение города Северска (Томск-7) электро- и теплоэнергией.
Строительство ряда АТС, а именно Воронежской, Горьковской, Ивановской, било начато, но заморожено в конце 80-х, начале 90-х годов.
В 2006 году концерн «Росэнергоатом» объявил о планах по строительству плавучих АТС для города Архангельска и некоторых заполярных городов на базе реакторов, используемых на атомных ледоколах.
 

Россия — единственная страна, где серьёзно рассматриваются варианты строительства атомных станций теплоснабжения. Объясняется это тем, что только в России[источник?] существует централизованная система водяного отопления зданий, при наличии которой целесообразно применять атомные станции для получения не только электрической, но и тепловой энергии. Первые проекты таких станций были разработаны ещё в 70-е годы XX века, однако из-за наступивших в конце 80-х гг экономических потрясений и жёсткого противодействия общественности, до конца ни один из них реализован не был. Исключение составляют Билибинская АЭС небольшой мощности, снабжающая теплом и электричеством посёлок Билибино в Заполярье (10 тыс. жителей) и местные горнодобывающие предприятия, а также оборонные реакторы (главной задачей которых является производство плутония):
* Сибирская АЭС, поставляющая тепло в Северск и Томск.
* Реактор АДЭ-2 на Красноярском горно-химического комбинате, с 1964 г．поставляющий тепловую и электрическую энергию для города Железногорска.[2]
Было также начато строительство следующих АСТ на базе реакторов, в принципе аналогичных ВВЭР-1000:
* Воронежская АСТ (не путать с Нововоронежской АЭС)
* Горьковская АСТ
* Ивановская АСТ (только планировалась)
Строительство всех трёх АСТ было остановлено во второй половине 1980-х или начале 1990-х годов.
В настоящий момент (2006) концерн «Росэнергоатом» планирует построить плавучую АСТ для Архангельска, Певека и других заполярных городов на базе реакторной установки КЛТ-40, используемой на атомных ледоколах. Есть вариант малой необслуживаемой АСТ на базе реактора «Елена», и передвижной (железнодорожным транспортом) реакторной установки «Ангстрем».

АЭС в городе Северске (Томск-7) Томской области. Является второй атомной электростанцией в СССР, и первой промышленной атомной электростанцией в стране (реактор в Обнинске имел мощность всего 5 МВт). Её главным назначением являлась наработка оружейного плутония для Сибирского химического комбината (в его состав станция входит как подразделение «Реакторный завод»), вырабатываемые тепло и электроэнергия были только полезным побочным продуктом.

Атомная электростанция, расположена в Воронежской области рядом с городом Нововоронеж. Является филиалом концерна «Росэнергоатом».
Сегодня Нововоронежская АЭС остается надежным источником электрической энергии, на 85 % обеспечивая Воронежскую область. Станция является не только источником электроэнергии. С 1986 года она на 50 % обеспечивает город Нововоронеж теплом.
Электроэнергия АЭС выдаётся потребителям по линиям напряжением 110, 220 и 500 кВ.

АЭС развивалась на базе несерийных водо-водяных энергетических реакторов корпусного типа с обычной водой под давлением. В настоящее время в работе находятся энергоблоки # 3, 4, 5 общей электрической мощностью 1834 Мвт. Энергоблоки # 1 и 2 и уже выведены из эксплуатации. Каждый из пяти реакторов станции является головным, то есть прототипом серийных энергетических реакторов.Корпуса всех реакторов Нововоронежской АЭС изготовлены ПО "Ижорский завод" г. Колпино Ленинградской области.