日本原子力機構は、原子力に関する国の政策を具体的に実現することを任務としており、様々な分野で研究開発を進めています。
大洗研究所では、仕様の異なる試験研究炉と関連する照射後試験施設等を活用して研究開発を進めています。

高温工学試験研究炉（HTTR）高温ガス炉は、原子炉から非常に高い熱を取り出すためにヘリウムガスを利用しています。
ヘリウムガスはとても安定した物質で、他の影響を受けにくく、約1000℃という高温の熱エネルギーを取り出すことができます。この高い熱エネルギーを利用し、発電だけではなく、二酸化炭素（CO₂）を排出せずに、環境にやさしい、次世代のエネルギーとして期待される水素をつくることができます。

高速実験炉「常陽」長期的エネルギー安全保障・地球環境問題に対応するため、高速炉を中心とする核燃料サイクルの確立に向けた技術開発に取り組んでいます。また、これまで蓄積した試験技術と経験を活用して、放射線廃棄物を減らすための研究開発も進めています。

材料試験炉（JMTR）材料試験炉（JMTR）は1968年の運転開始から原子炉材料や燃料の基礎研究、安全研究、発電炉の開発やRI製造のような様々な原子力研究開発活動に貢献しました。2021年3月にJMTRの廃止措置計画が認可され、原子炉の解体や放射性廃棄物の処理・処分が計画的に行われています。
一方、これまで蓄積した照射技術を継承し、将来の新しい照射試験炉の建設に向けた検討を開始します。