Osobną klasę reaktorów badawczych stanowią zestawy krytyczne i podkrytyczne. Są to układy składające się z paliwa jądrowego i moderatora, które w przypadku zestawów krytycznych osiągają stan krytyczny (czyli stan samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej rozszczepienia) tylko po wprowadzeniu dodatkowego, zewnętrznego źródła neutronów, a w przypadku układów podkrytycznych nie osiągają nigdy stanu krytycznego, nawet z zewnętrznym źródłem neutronów (mają za małą masę materiału rozszczepialnego). Zestawy krytyczne i podkrytyczne odegrały bardzo ważną rolę w rozwoju pokojowego wykorzystania energii jądrowej.