Слънцето и звездите са изглежда неизчерпаеми източници на енергия. Тази енергия е резултат от ядрени реакции, при които материята се преобразува в енергия. Успяхме да използваме този механизъм и редовно го използваме за производство на електроенергия. Понастоящем ядрената енергия осигурява около 16% от световното производство на електроенергия.

За разлика от звездите, ядрените реактори, които имаме днес, работят на принципа на ядреното делене. Учените работят денонощно, за да създадат реактори за термоядрен синтез, които имат потенциала да осигурят повече енергия с по-малко недостатъци в сравнение с реакторите за делене.

Фигурите показват традиционна ядрена електроцентрала и камерата на токамак реактор за синтез.

Атомните ядра отделят излишна енергия, когато имат средство за това. Например, радиоактивен изотоп може спонтанно да отдели енергия чрез радиоактивен разпад. Понякога обаче ядрото се нуждае от външен стимул, за да отдели енергия.

Ядреното делене (разцепване на ядра) и ядреният синтез (обединяване на ядра) са ядрени процеси, при които и двата водят до отделяне на енергия, която вече не е необходима на полученото ядро след осъществяване на ядреното делене или синтез.

Ядрената енергия, отделена при ядрен процес, може да се изчисли от разликата в масата между оригиналното ядро и неговите реакционни продукти. Известното уравнение на Айнщайн за връзката между енергия и маса, E=mc², ни позволява да изчислим промяната в енергията на ядрото ∆E, когато измерим промяната в масата на ядрото ∆m.

Терминът „делене" означава „разцепване", така че при ядреното делене разцепването на атомни ядра произвежда обикновено две или три по-малки ядра. Установяваме, че когато настъпи ядрено делене, масата на реакционните продукти е по-малка от оригиналната маса на ядрото или реагиращите частици, което води до отделяне на енергия, използвана за свързване на оригиналното ядро. Такъв е случаят с елементи с тежки ядра (като урана).

В същия контекст, терминът „синтез" означава обединяване на ядра. При ядрения синтез общата маса на реакционния продукт (известен още като дъщерно ядро) е все още по-малка от оригиналната маса на ядрото или реагиращите частици, въпреки че сега са обединени две ядра. Това е така, защото отнема по-малко енергия за атоми с по-леки ядра (от елементи като хелий) да съществуват слети заедно, отколкото поотделно. Следователно, при синтез на по-леки ядра се отделя енергия. Ядреният синтез е по-разпространен от деленето в природата и се получава най-лесно при по-леки елементи като водород, хелий и въглерод.

Като цяло, ако ядро се образува чрез „залепване" на нуклони заедно, масата му е по-малка от масата на оригиналните свободни нуклони. Този ефект е известен като масов дефект.

Ядрената енергия се освобождава под формата на кинетична енергия на произведените частици, а също и като електромагнитно лъчение (гама лъчи). Частиците с висока енергия се сблъскват с атоми в заобикалящия материал, забавяйки се, докато прехвърлят енергията си на другите частици, с които се сблъскват. Това загрява заобикалящия материал и е причината парче радиоактивен материал да е обикновено по-топло от заобикалящата го среда.

Единицата SI за енергия, Джаул (J), е твърде голяма за измерване на енергията, отделена от единично ядро. По конвенция за тази цел използваме МеВ (мегаелектронволт), където 1 МеВ = 10⁶ eV и 1 eV = 1,602177x10^-19 J.

Ядрен процес, при който се отделя голямо количество енергия, е деленето на тежко ядро. Например, когато едно единствено ядро ²³⁵U претърпи делене, се отделят около 200 МеВ. Това е много енергия, което може да се види от следните сравнения:

1. Енергията, отделена при изгаряне на единствен атом въглерод във въздух, е около 4 eV (НЕ МеВ), около петдесет милиона пъти по-малко!
2. Енергията, отделена при алфа или бета разпад, обикновено е няколко МеВ
3. Енергията, отделена при ядрен синтез, е от порядъка на 20 МеВ

Най-значимото сравнение е между атомните или молекулните енергии и ядрените енергии. Първите са винаги около един милион пъти по-малки от ядрените енергии. Ето защо можем да получим около един милион пъти повече енергия от урана, отколкото от същото тегло въглища.