Trong lò phản ứng hạt nhân hai vòng tuần hoàn (ví dụ như PWR) chất tải nhiệt đi từ lò phản ứng tới thiết bị sinh hơi, tại đây hơi nước của vòng tuần hoàn thứ hai với tham số yêu cầu được sinh ra, đi tới turbin hơi và làm quay turbin. Còn trong lò phản ứng hạt nhân một vòng tuần hoàn (ví dụ như RBMK), chất tải nhiệt sẽ chuyển thành dạng hơi hoặc dạng khí và trực tiếp làm quay turbin. Trong các lò nghiên cứu hoặc các lò chuyên dụng, chất tải nhiệt chỉ đảm nhiệm duy nhất một vai trò đó là làm mát lò phản ứng hạt nhân.

Yêu cầu đối với chất tải nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân:

• Ít hấp thụ neutron trong các lò phản ứng nhiệt hoặc ít làm chậm neutron trong các lò phản ứng nhanh;
• Bền vững trong môi trường có cường độ phóng xạ cao;
• Tính ăn mòn thấp đối với các vật liệu được sử dụng trong lò;
• Hệ số truyền nhiệt lớn;
• Nhiệt dung riêng lớn.

Trong các lò phản ứng nhiệt chất tải nhiệt thường được sử dụng bao gồm: nước (cả nước nặng và nước nhẹ), hơi nước, các chất lỏng hữu cơ và khí CO2. Trong các lò phản ứng nhanh người ta sử dụng kim loại lỏng (chủ yếu là natri, ngoài ra còn có chì,...), các loại khí (ví dụ như hơi nước, He) làm chất tải nhiệt. Thông thường chất tải nhiệt thường được sử dụng ở dạng lỏng và đồng thời cũng là chất làm chậm trong lò phản ứng hạt nhân.