本一级学科的主要学科方向包括核能科学与工程、核燃料循环与材料、核技术及应用、辐射防护及环境保护。

1.核能科学与工程  研究核能的产生、有效利用及其安全性和相关的核技术与工程问题，内容包括：反应堆物理、反应堆热工水力、反应堆结构、反应堆安全、反应堆控制和运行等，是一门由基础科学、技术科学和工程科学组成的具有重大生产实践意义和理论发展前景的综合性学科。

在具体研究方向上，在对传统成熟堆型（例如压水堆、沸水堆等）进行不断完善和改进的同时，各种先进堆型研究，包括快中子堆、高温气冷堆、超临界水冷堆以及熔盐堆等都已经列入我国高科技研究发展项目。聚变能源的发展在国际上越来越受到重视，国内在聚变研究领域也取得良好进展，多国合作的国际热核聚变实验堆（ITER）计划将研究解决大量技术难题，是受控核聚变从研究走向实用的关键一步。

2.核燃料循环与材料  研究核裂变和核聚变燃料循环各个过程中的科学和技术问题，包括：核裂变和核聚变燃料、同位素分离、核燃料转化、燃料元件制造、核燃料的后处理、放射性废物的处理处置、核材料性能及其与环境的相容性、射线粒子与物质的相互作用、环境监测与评价、核工程材料等。本学科是一门和物理学、化学、材料科学与工程、化学工程与技术、 冶金工程等学科紧密相关，由基础科学、技术科学和工程科学组成的综合性学科。

在燃料循环前端方面，地浸釆铀技术已获发展和推广应用。铀浓缩技术由气体扩散法向更有效、经济与可靠的气体离心法发展。燃料元件技术的发展将进一步提升核燃料的利用效率。

在核燃料循环后端方面，我国确定了核燃料闭式循环（后处理）的基本路线。发展了具有世界水平的军用后处理技术，基于水法PUREX流程的商用后处理中试厂已完成了热验证实验。基于次锕系元素“分离一嬗变”的核废料处置技术、“铀—杯”循环和“针—铀”循环的 核燃料增殖技术等先进的燃料循环研究取得了阶段性成果。针对快堆正在开展相应的后处理技术研究。

聚变能将成为未来重要的能源系统之一。氘氚燃料循环包括氚的自持技术，大规模氢同位素分离、净化和氚大安全包容等将成为未来聚变能燃料循环的核心研究方向。

3.核技术及应用  是一门综合性学科，研究带电粒子的产生和加速、辐射产生机理、射线与物质的相互作用、辐射成像、辐射探测方法和辐射信息处理，广泛应用于科学研究、医学诊疗和工农业生产等各个领域。

同步辐射主要研究同步辐射光源及自由电子激光物理、技术、工程与应用，辐射物理与辐射效应，辐射探测技术，同步辐射实验技术及方法，同步辐射光学工程，同步辐射在凝聚态物理、化学、生物、材料、能源与环境等各学科研究中的应用（含交叉学科）。

全球现有放射性同位素生产装置大部分属于经济合作和发展组织。放射损伤诊断技术正实现自动化和系统化。辐射技术也得到较快发展，并渗透到经济社会的许多领域。

4.辐射防护及环境保护  主要研究辐射防护，核废物及危险废物的处理技术，废物资源化技术，核废物及危险废物处置技术，放射性物质在地表水、地下水、包气带和大气环境中的迁移、转化、扩散规律，核废物管理的环境影响评价与安全分析，核技术在环境科学与工程中的应用。