Trong mỗi thanh nhiên liệu nhiệt lượng được tỏa ra từ phản ứng dây chuyền phân hạch hạt nhân nhiên liệu, từ tương tác của neutron với vật liệu cấu trúc vùng hoạt và với chất tải nhiệt. Mỗi thanh nhiên liệu được tạo thành từ lõi thanh (hay viên nhiên liệu) và vỏ bọc kín.

Ngoài nhiên liệu hạt nhân 235U, 239Pu hay 233U, viên nhiên liệu còn có thể chứa cả các đồng vị tái sinh nhiên liệu hạt nhân như 238U hay 232Th.

Viên nhiên liệu

Viên nhiên liệu hạt nhân thường được sản xuất ở dạng kim loại, kim loại-gốm (hợp chất của kim loại với nguyên tố vô cơ) hoặc dạng gốm (cấu tạo từ hợp chất uranium hay thorium với một số phi kim, gia công ở nhiệt độ rất cao sau đó được làm lạnh theo trình tự đặc biệt). Ở dạng kim loại lõi thanh được cấu tạo từ Uranium, Thori hay Plutoni tinh khiết, cùng với hợp kim của chúng với nhôm, zirconi, crôm và kẽm. Ở dạng kim loại-gốm viên nhiên liệu được nén từ hỗn hợp bột uranium và bột nhôm. Viên nhiên liệu dạng gốm cấu thành từ oxit hay karbit uranium hoặc thorium (UO2, ThC2).

Ở dạng kim loại-gốm hoặc dạng gốm lõi thanh nhiên liệu hoàn toàn đảm bảo được những yêu cầu khắc nghiệt về độ bền cơ học, tính bền vật lý (tính chất vật lý không bị biến đổi) và kích thước trong môi trường cường độ bức xạ mạnh cũng như nhiệt độ cao. Tuy nhiên do ở dạng này viên nhiên liệu chứa các chất phụ gia (chất độn), cho nên nhiên liệu hạt nhân cần làm giàu tới 10% (thậm chí cao hơn) để cân bằng sự mất mát neutron. Nhằm nâng cao độ bền vững của lõi thanh, đôi khi người ta còn thêm một số chất hấp thụ mạnh neutron như Molypden.

Đa số trong các lò phản ứng năng lượng người ta sử dụng viên nhiên liệu ở dạng gốm từ điôxít uranium (UO2). Viên nhiên liệu từ UO2 không bị biến dạng trong toàn bộ chu trình 'đốt cháy' nhiên liệu hạt nhân. Một tính chất quan trọng khác của hợp chất này đó là chúng không phản ứng với nước thường (chất tải nhiệt phổ biến nhất). Khối lượng riêng của UO2 gần như bằng với khối lượng riêng uranium, điều này đảm bảo duy trì được dòng neutron cần thiết trong vùng hoạt của lò phản ứng.

Lớp vỏ

Lớp vỏ của thanh nhiên liệu cần đảm bảo đặc biệt kín để ngăn chặn các sản phẩm của phản ứng phân hạch tiếp xúc với chất tải nhiệt nhằm giảm thiếu tối đa sự lan tràn phóng xạ trong vòng sơ cấp (vòng tuần hoàn thứ nhất).

Chất liệu của lớp vỏ thanh nhiên liệu cần đảm bảo những tính chất sau:

• Rất ít bị ăn mòn và bền với nhiệt;
• Ít hấp thụ neutron và ít làm biến đối đặc tính hấp trụ neutron trong lò nói chung.

Hiên nay đa số lớp vỏ thanh nhiên liệu được sản xuất từ hợp kim nhôm, zirconi hoặc thép không gỉ. Lớp vỏ từ hợp kim nhôm được sử dụng trong các lò có nhiệt độ vùng hoạt khoảng 250—270 °C trở xuống, hợp kim Zr — trong các lò năng lượng với nhiệt độ tâm lò từ 350—400 °C, còn thép không gỉ (do khả năng hấp thụ neutron nhiệt khá cao) được sử dụng trong các lò có nhiệt độ vùng hoạt trên 400 °C. Đôi khi người ta còn sử dụng một số chất liệu khác như than chì chẳng hạn.

Khi sử dụng viên nhiên liệu dạng gốm, giữa các viên nhiên liệu và lớp vỏ tồn tại một khe hở nhỏ để cân bằng sự giãn nở vì nhiệt của các chất, tuy nhiên khe hở này sẽ làm giảm khả năng truyền nhiệt từ lõi thanh sang chất tải nhiệt. Để tăng cường khả năng dẫn nhiệt, người ta lấp đầy khí He vào không gian này (do He dẫn nhiệt rất tốt). Trong quá trình hoạt động, khe hở này (khoảng 100 µm) dần dần được lấp đầy bởi giãn nở nhiệt cũng như các sản phẩm phân hạch và có thể hoàn toàn biến mất.