Теплоноситель в ядерном реакторе — жидкое или газообразное вещество, пропускаемое через активную зону реактора и выносящее из неё тепло, выделяющееся в результате реакции деления ядер.
В двухконтурных энергетических реакторах (например, ВВЭР) теплоноситель из реактора поступает в парогенератор, в котором вырабатывается пар, приводящий в действие турбины, а в одноконтурных реакторах (например, РБМК) сам теплоноситель (пароводяной или газовый) может служить рабочим телом турбинного цикла. В исследовательских (например, материаловедческих) и специальных реакторах (например, в реакторах для накопления радиоактивных изотопов) теплоноситель только охлаждает реактор, полученное тепло не используется.
В реакторах на тепловых нейтронах в качестве теплоносителя используют воду (обычную и тяжёлую), водяной пар, органические жидкости, двуокись углерода; в реакторах на быстрых нейтронах — жидкие металлы (преимущественно натрий), а также газы (например, водяной пар, гелий). Часто теплоносителем служит жидкость, являющаяся одновременно и замедлителем.
Один из самых распространённых теплоносителей — вода. Природная вода содержит небольшое количество тяжёлой воды (0,017%), различных примесей и растворённых газов. Присутствие примесей и газов делает воду химически активной с металлами. Поэтому воду, прежде чем использовать её как теплоноситель, очищают от примесей методом дистилляции и деаэрируют, то есть удаляют из воды газы.
В первом контуре циркулирует радиоактивная вода. Основной источник радиоактивности воды — это примеси, появление которых в воде связано с коррозией узлов первого контура и технологическими загрязнениями делящимися веществами внешней поверхности ТВЭЛов. Концентрацию радиоактивных примесей в воде снижают фильтрованием. Под действием нейтронов на ядрах кислорода идут реакции 18O(n, γ)19O; 16O(n, p)16N, в которых образуются радиоактивные ядра 19O (T½=29,4 с) и 16N (T½=4 с). Однако активность 19O и 16N мала по сравнению с активностью примесей.
Недостатками воды как теплоносителя являются низкая температура кипения (100 °C при давлении 1 атм) и поглощение тепловых нейтронов. Первый недостаток устраняется повышением давления в первом контуре. Поглощение тепловых нейтронов водой компенсируют применением ядерного топлива на основе обогащённого урана.