Neutrony emitowane po rozszczepieniu jąder uranu mają zbyt duże energie, by powodować reakcje łańcuchowe. Aby je spowolnić do około 0,025 eV (2,2 km/s) stosuje się tzw. moderator, czyli ośrodek materialny, przez który przechodzą neutrony i ulegają moderacji. Moderacja polega na dostosowaniu temperatury (ustaleniu równowagi termodynamicznej poprzez zderzenia elastyczne neutronów z jądrami moderatora) neutronów do temperatury moderatora. Moderatorem neutronów termicznych jest najczęściej woda destylowana będąca w obiegu zamkniętym, która schładzana jest na zewnątrz reaktora poprzez chłodnie kominowe.
Neutronów termicznych używa się głównie do badań ciała stałego. Badania te polegają na wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji neutronów na sieci krystalicznej badanej substancji.
Długość fali neutronu termicznego porównywalna jest z odległościami międzyatomowymi w substancji. Dzięki temu, neutrony bardzo dobrze nadają się do badania struktur krystalicznych i, z racji tego, że neutron posiada moment magnetyczny, struktur magnetycznych.