W trakcie pojedynczego aktu rozszczepienia 235U wydziela się ponad 200 MeV energii. Część tej energii jest wynoszona przez neutrina, natomiast reszta wydziela się w reaktorze w postaci ciepła. Ponad 80% energii rozszczepienia to energia kinetyczna produktów rozszczepień, deponowana praktycznie w miejscu powstania, czyli w warstwie paliwowej. Stąd szczególnie istotne jest chłodzenie samego paliwa.

W reaktorze MARIA chłodzenie paliwa zapewnia ciśnieniowy obieg chłodzenia kanałów paliwowych. 

Przy ciśnieniu wody na wlocie do elementu paliwowego równym 1.7 MPa, temperaturze wody na wlocie do 50°C oraz wydatku przepływu od 25 do 30 m3/h, z jednego elementu paliwowego można odebrać moc równą ponad 1.8 MW. Dla porównania całkowita moc cieplna pierwszego polskiego reaktora badawczego EWA (przed modernizacją) wynosiła 2 MW. Mimo tak wysokiej generacji ciepła maksymalna temperatura koszulki elementu paliwowego nie przekracza 155°C. Jest to temperatura znacznie niższa od temperatury nasycenia wody przy ciśnieniu panującym w kanale paliwowym (ponad 200°C).

Zimna woda wpływa od góry do szczelin między 3 zewnętrznymi rurami paliwowymi, zawraca w dolnej części elementu i wraca do góry szczelinami wodnymi między wewnętrznymi rurami paliwowymi. Środkowa rura (oznaczana tradycyjnie jako rura #4) rozdziela przepływ góra-dół i stanowi przedłużenie rury rozdzielającej przepływ wzdłuż całej wysokości kanału paliwowego.

Pozostałe elementy rdzenia są chłodzone wodą przepływającą z góry na dół przez basen reaktora. Jest to otwarty (bezciśnieniowy) obieg chłodzenia basenu. Ciepło generowane w poza paliwowych elementach rdzenia pochodzi głównie z promieniowania gamma emitowanego z paliwa, a także z reakcji jądrowych, zachodzących w materiałach rdzenia pod wpływem promieniowania neutronowego. Znaczna część ciepła odbieranego przez obieg chłodzenia basenu pochodzi z wymiany ciepła między kanałami paliwowymi a basenem.

Oba pierwotne obiegi chłodzenia reaktora MARIA (obieg kanałów paliwowych i obieg basenu) odprowadzają (poprzez wymienniki) ciepło do wspólnego obiegu wtórnego, a ten z kolei, za pośrednictwem chłodni wentylatorowej – do atmosfery.