Potensi bahaya dalam sebuah PLTN adalah sumber radioaktivitas yang terkandung di dalamnya. Oleh karena itu prinsip utama desain keselamatan PLTN adalah "Bungkus rapat dan jaga keutuhan bungkusnya". Untuk membungkus rapat radioaktivitas PLTN agar tetap berada ditempatnya yang aman, desain PLTN mempunyai sistem penghalang ganda (multiple barrier). Sedangkan untuk menjaga keutuhan "pembungkus", diterapkan prinsip keselamatan pertahanan berlapis (defense in depth). Berikut ini adalah ilustrasi gambar yang menjelaskan sistem penghalang ganda.

Penghalang pertama berupa matriks pil bahan bakar. Reaksi fisi yang membebaskan berbagai bahan radioaktif sedapat mungkin dipertahankan keberadaannya agar tetap di dalam daging pil bahan bakar. Apabila terdapat hasil reaksi fisi radioaktif yang dapat keluar dari pil bahan bakar, maka penghalang berikutnya adalah kelongsong bahan bakar. Penghalang lain berikutnya adalah sistem pengungkung pendingin reaktor (pressure vessel and coolant boundary), sungkup reaktor (reactor containment), struktur beton bangunan gedung reaktor. Penghalang terakhir adalah zona eksklusif PLTN, dengan demikian terdapat enam penghalang pembebasan radioaktif dari dalam reaktor nuklir.

Agar dapat mengeliminasi kejadian pembebasan zat radioaktif dari dalam sebuah reaktor nuklir, setiap lapis penghalang harus dijaga keutuhaanya dalam kondisi apapun, termasuk dalam kondisi kecelakaan dasar desain, dengan cara menurunkan temperatur maupun tekanan di dalam masing-masing struktur penghalang ganda agar setiap penghalang tidak mengalami kelebihan tekanan (over-pressure) dan kelebihan temperatur (over-temperature).

Lapis pertahanan dalam prinsip pertahanan berlapis untuk menjaga keutuhan setiap penghalang adalah:

Lapis pertama: perhitungan desain komponen, struktur dan sistem penghalang dibuat dengan sangat konservatif, dengan bahan yang berkualitas sehingga mencegah terjadinya operasi abnormal dan kegagalan sistem penghalang sekecil apapun.

Lapis kedua: apabila dalam suatu kondis tertentu lapis pertahanan pertama tak mampu mempertahankan operasi pada kondisi operasi normal, maka pertahanan lapis kedua harus dapat memulihkan kondisi pada operasi normal tanpa mencederai fugsi-fungsi keselamatan maupun kemampuan PLTN. Bentuk lapis pertahanan kedua adalah adanya sistem proteksi yang mampu membatasi kondisi sehingga tidak melampaui batas kemampuan sistem, dan sistem pengawasan terstruktur yang mampu mengawasi kondisi normalitas operasi.

Lapis ketiga: dalam suatu kondisi yang akhirnya membawa PLTN pada kondisi kecelakaan tetapi kecelakaan tersebut memang sudah diperhitungkan dalam desain (kecelakaan dasar desain), maka lapis pertahanan ketiga harus dapat memitigasi kecelakaan agar tetap terkendali dan tidak liar serta menjurus menjadi kecelakaan parah. Bentuk lapis pertahan ini adalah sistem pendinginan darurat dan sistem pendinginan lain yang dapat menurunkan tekanan dan temperatur pada struktur penghalang serta mampu menangkap zat radioaktif yang berpotensi akan menyebar ke luar dari setiap penghalang. Sistem yang bekerja untuk mewujudkan lapis pertahanan ketiga ini disebut sebagai fitur keselamatan teknik (engineering safety feature). Salah satu bentuk sistem dari fitur keselamatan teknik adalah Sistem Pendinginan Teras Darurat (Emergency Core Cooling System, ECCS)

Lapis keempat: apabila PLTN mengalami kecelakaan diluar perhitungan (kecelakaan dasar desain) dan menjadi kecelakaan parah, maka lapis pertahanan ini bertugas untuk menghambat dan mengendalikan kecelakaan sehingga konsequensi dari kecelakaan dapat ditekan serendah-rendahnya. Sistem pertahanan lapis ini harus mampu menjaga keutuhan penghalang sungkup reaktor (reactor containment) yang secara masif mengungkung pembebasan zat radioaktif ke lingkungan bebas.

Lapis kelima: sistem pertahanan lapis ini berfungsi untuk menekan konsequensi radiologis yang harus ditanggung lingkungan sekitar, jika terjadi pembebasan zat radioaktif ke lingkungan hingga melampaui batas ambang yang diizinkan. Masuk dalam sistem pertahanan ini adalah tanggap kedaruratan di luar tapak PLTN.

Ringkasan

Prinsip keselamatan PLTN: Bungkus rapat radioaktivitas dengan struktur Penghalang Ganda dan jaga keutuhan penghalang ganda dengan sistem Pertahanan Berlapis.

Penghalang Ganda: (1) Matriks bahan bakar, (2) Kelongsong bahan bakar, (3) Bejana/pipa penampung fluida pendingin reaktor, (4) Sungkup reaktor yang masif, (5) Struktur beton gedung reaktor yang kuat, (6) Daerah eksklusif

Pertahanan Berlapis: (1) Desain konservatif serta konstruksi dan operasi bermutu tinggi, (2) Sistem proteksi dan pembatas, kendali serta fitur pengawasan lain, (3) Fitur keselamatan teknik dan prosedur penanganan kecelakaan, (4) Tindakan pelengkap (complementary) dan manajemen kecelakaan, (5) Tanggap darurat di luar tapak