Aurinko ja tähdet ovat näennäisesti ehtymättömiä energialähteitä. Tämä energia on ydinreaktioiden tulos, joissa aine muuttuu energiaksi. Olemme pystyneet hyödyntämään tätä mekanismia ja käytämme sitä säännöllisesti sähköntuotantoon. Tällä hetkellä ydinenergia tuottaa noin 16 % maailman sähköstä.

Toisin kuin tähdet, nykyiset ydinreaktorit toimivat ydinhalkeamisen periaatteella. Tiedemiehet työskentelevät kellon ympäri kehittääkseen fuusioreaktoreita, joilla on potentiaalia tuottaa enemmän energiaa vähemmillä haitoilla verrattuna fissioreaktoreihin.

Kuvat esittävät perinteistä ydinvoimalaa ja Tokamak-fuusioreaktorin kammiota.

Atomiytimien ylijäämäenergia vapautuu, kun niillä on siihen mahdollisuus. Esimerkiksi radioaktiivinen isotooppi voi spontaanisti vapauttaa energiaa radioaktiivisen hajoamisen kautta. Joskus ydin tarvitsee kuitenkin ulkoisen ärsykkeen energian vapauttamiseksi.

Ydinfissio (ytimien halkaiseminen) ja ydinfuusio (ytimien yhdistäminen) ovat ydinprosesseja, jotka molemmat johtavat energian vapautumiseen, jota syntyvä ydin ei enää tarvitse, ydinfission tai ydinfuusion tapahduttua.

Ydinprosessissa vapautuva ydinenergia voidaan laskea alkuperäisen ytimen ja reaktiotuotteiden välisestä massaerosta. Einsteinin kuuluisa energia-massa-suhde, E=mc², antaa meille mahdollisuuden laskea ytimen energiamuutoksen ∆E, kun mittaamme ytimen massan muutoksen ∆m.

Termi "fissio" tarkoittaa "jakamista", joten ydinfissiossa atomiytimien jakaminen tuottaa tyypillisesti kaksi tai kolme pienempää ydintä. Huomaamme, että kun ydinfissio tapahtuu, reaktiotuotteiden massa on pienempi kuin ytimen tai reagoivien hiukkasten alkuperäinen massa, minkä seurauksena vapautuu energia, jota käytettiin alkuperäisen ytimen sitomiseen yhteen. Tämä on tilanne raskaiden ytimien elementeillä (kuten uraani).

Samassa yhteydessä termi "fuusio" tarkoittaa ytimien yhdistämistä. Ydinfuusiossa reaktiotuotteen (ns. tytärytimen) kokonaismassa on edelleen pienempi kuin ytimen tai reagoivien hiukkasten alkuperäinen massa, vaikka kaksi ydintä on nyt yhdistetty. Tämä johtuu siitä, että kevyempien ytimien atomeille (esim. helium) tarvitaan vähemmän energiaa fuusioituneena olemiseen kuin erillään olemiseen. Siksi energiaa vapautuu kevyempien ytimien fuusioituessa. Ydinfuusio on luonnossa yleisempää kuin fissio ja saavutetaan helpoiten kevyemmillä alkuaineilla kuten vety, helium ja hiili.

Yleisesti ottaen, jos ydin muodostuu "liimaamalla" nukleoneja yhteen, sen massa on pienempi kuin alkuperäisten vapaiden nukleonien massa. Tätä ilmiötä kutsutaan massavajeeksi.

Ydinenergia vapautuu tuotettujen hiukkasten liike-energiana sekä sähkömagneettisena säteilynä (gammasäteet). Suurienergeettiset hiukkaset törmäävät ympäröivän materiaalin atomeihin, hidastuen siirtäessään energiaansa muihin hiukkasiin, joihin ne törmäävät. Tämä lämmittää ympäröivää materiaalia ja on syy siihen, miksi radioaktiivinen materiaali on yleensä lämpimämpää kuin ympäristönsä.

SI-energiayksikkö joule (J) on liian suuri yksittäisen ytimen vapauttaman energian mittaamiseen. Käytännössä käytämme tähän MeV:tä (megaelektronivoltti), jossa 1MeV = 10⁶eV ja 1eV = 1,602177x10^-19J.

Suuren energiamäärän vapauttava ydinprosessi on raskaan ytimen fissio. Esimerkiksi yhden ²³⁵U-ytimen fission yhteydessä vapautuu noin 200 MeV. Tämä on paljon energiaa, kuten voidaan nähdä joistakin vertailuista:

1. Yksittäisen hiiliatomin ilmassa polttamisessa vapautuva energia on noin 4 eV (EI MeV), noin viisikymmentä miljoonaa kertaa pienempi!
2. Alfa- tai beetahajoamisessa vapautuva energia on tyypillisesti muutama MeV
3. Ydinfuusiossa vapautuva energia on suuruusluokkaa 20 MeV

Merkittävin vertailu on atomisten tai molekulaaristen energioiden ja ydinergioiden välinen. Edelliset ovat aina noin miljoona kertaa pienempiä kuin ydinergiat. Tästä syystä voimme saada uraanista noin miljoona kertaa enemmän energiaa kuin samasta painosta hiiltä.