Thanh nhiên liệu hạt nhân viết tắt là TNL chứa nhiên liệu hạt nhân tạo nên cấu trúc chính trong vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân. Phản ứng phân hạch hạt nhân 235U, 239Pu hay 233U (xảy ra trong các thanh nhiên liệu) tỏa ra một lượng nhiệt năng rất lớn. Lượng nhiệt năng này được dẫn ra khỏi vùng hoạt nhờ chất tải nhiệt.Thanh nhiên liệu được cấu tạo từ các viên nhiên liệu, vỏ bọc, nắp, đầu bịt và chốt định vị. Cấu trúc của TNL phụ thuộc vào kiểu lò và nhiệm vụ cụ thể của từng lò phản ứng, chất tải nhiệt, chất làm chậm,.... TNL phải đảm bảo được khả năng truyền nhiệt từ nhiên liệu hạt nhân sang chất tải nhiệt một cách ổn định và bền vững.Đa số các lò phản ứng năng lượng công suất lớn hiện nay như WWER hay RBMK đều sử dụng TNL ở dạng ống kín hình trụ có đường kính từ 9,1—13,5 mm với chiều dài khoảng vài mét được lấp đầy bởi các viên nhiên liệu hạt nhân. Vỏ của các TNL này được sản xuất từ các hợp kim đặc biệt (như Zirconi hoặc thép không gỉ,...). Hàng chục TNL được ghép vào nhau một cách chặt chẽ và theo những cấu trúc nhất định tạo nên bó nhiên liệu.