Beim heterogenen Reaktor sind Brennstoff und Moderator voneinander getrennt. Der Brennstoff wird zu Stäben oder in seltenen Fällen zu Kugeln oder Platten zusammengefasst. In dieser Form wird er im Reaktor eingesetzt. Der Moderator kann flüssig oder fest, das Kühlmittel flüssig oder gasförmig sein. Verglichen mit dem homogenen Reaktor kann im heterogenen die Kettenreaktion leichter realisiert werden. Hier werden die Neutronen vorwiegend im Moderator abgebremst. Deshalb entkommen sie weitgehend den Resonanzeinfängen des im Brennstoff vorhandenen ²³⁸U ( Uran ). Der heterogene thermische Reaktor mit Wasser als Moderator und Kühlmittel ist heute der häufigste Typ von Leistungsreaktoren da dieses Reaktorkonzept einfach und kompakt realisiert werden kann.