Ο ήλιος και τα αστέρια είναι φαινομενικά ανεξάντλητες πηγές ενέργειας. Αυτή η ενέργεια είναι το αποτέλεσμα πυρηνικών αντιδράσεων, κατά τις οποίες η ύλη μετατρέπεται σε ενέργεια. Έχουμε καταφέρει να αξιοποιήσουμε αυτόν τον μηχανισμό και να τον χρησιμοποιήσουμε για να παράγουμε ενέργεια. Επί του παρόντος, η πυρηνική ενέργεια παρέχει περίπου το 16% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας.

Σε αντίθεση με τα αστέρια, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες που έχουμε σήμερα βασίζονται στην αρχή της πυρηνικής σχάσης. Οι επιστήμονες εργάζονται ακατάπαυστα για να κατασκευάσουν αντιδραστήρες σύντηξης, οι οποίοι έχουν τη δυνατότητα παροχής περισσότερης ενέργειας με λιγότερα μειονεκτήματα σε σύγκριση με τους αντιδραστήρες σχάσης

Οι εικόνες δείχνουν έναν σύνηθες πυρηνικό σταθμό παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τον θάλαμο ενός αντιδραστήρα σύντηξης Tokamak.

Οι ατομικοί πυρήνες απελευθερώνουν πλεονάζουσα ενέργεια όταν έχουν τα μέσα για να το κάνουν. Για παράδειγμα, ένα ραδιενεργό ισότοπο μπορεί να απελευθερώσει αυθόρμητα ενέργεια κατά την ραδιενεργή του διάσπαση. Ωστόσο, μερικές φορές ένας πυρήνας χρειάζεται ένα εξωτερικό ερέθισμα για να απελευθερώσει ενέργεια.

Η πυρηνική σχάση (διάσπαση πυρήνων) και η πυρηνική σύντηξη (ένωση πυρήνων) είναι οι πυρηνικές διεργασίες που έχουν ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση ενέργειας την οποία δεν χρειάζεται πλέον ο πυρήνας που προκύπτει μετά την πυρηνική σχάση ή την πυρηνική σύντηξη.

Η πυρηνική ενέργεια που απελευθερώνεται σε μια πυρηνική διαδικασία μπορεί να υπολογιστεί από τη διαφορά μάζας μεταξύ του αρχικού πυρήνα και των προϊόντων αντίδρασης του. Η περίφημη σχέση ενέργειας-μάζας του Einstein, E=mc², μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την αλλαγή στην ενέργεια του πυρήνα ΔΕ, όταν μετράμε τη μεταβολή της μάζας του πυρήνα Δm.

Ο όρος "σχάση" σημαίνει "διάσπαση", έτσι στην πυρηνική σχάση ο διαχωρισμός των ατομικών πυρήνων παράγει τυπικά δύο ή τρεις μικρότερους πυρήνες. Διαπιστώνουμε ότι όταν συμβαίνει πυρηνική σχάση, η μάζα των προϊόντων αντίδρασης είναι μικρότερη από την αρχική μάζα του πυρήνα ή των σωματίδιων αντίδρασης, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση της ενέργειας που χρησιμοποιούταν για να διατηρεί ενωμένο τον αρχικό πυρήνα. Αυτή η διαδικασία συναντάται σε στοιχεία με βαρείς πυρήνες (όπως το Ουράνιο).

Στο ίδιο πλαίσιο, ο όρος "σύντηξη" σημαίνει ένωση πυρήνων μεταξύ τους. Στην πυρηνική σύντηξη η συνολική μάζα του προϊόντος της αντίδρασης (που ονομάζεται θυγατρικός πυρήνας) εξακολουθεί να είναι μικρότερη από την αρχική μάζα του πυρήνα ή των σωματιδίων αντίδρασης, παρόλο που τώρα ενώνονται δύο πυρήνες. Αυτό συμβαίνει διότι χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για τα άτομα με ελαφρύτερους πυρήνες (από στοιχεία όπως το Ήλιον) να συνυπάρχουν συντηγμένα μεταξύ τους, αντί να υπάρχουν μεμονωμένα. Επομένως, όταν συμβαίνει σύντηξη ελαφρύτερων πυρήνων απελευθερώνεται ενέργεια . Η πυρηνική σύντηξη είναι πιο συνηθισμένη από τη σχάση στη φύση και επιτυγχάνεται εύκολα με τη χρήση ελαφρύτερων στοιχείων όπως το υδρογόνο, το ήλιον και ο άνθρακας.

Γενικά, εάν ένας πυρήνας σχηματίζεται μέσω της "συγκόλλησης" νουκλεόνων, η μάζα του είναι μικρότερη από τη μάζα των αρχικών ελεύθερων νουκλεονίων. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως το έλλειμμα μάζας.

Η πυρηνική ενέργεια απελευθερώνεται με τη μορφή κινητικής ενέργειας των παραγόμενων σωματιδίων, αλλά και ως ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες γάμμα). Τα σωματίδια υψηλής ενέργειας συγκρούονται με τα άτομα στο περιβάλλον υλικό, επιβραδύνοντάς τα καθώς μεταφέρουν την ενέργεια τους σε άλλα σωματίδια που συγκρούονται. Αυτό θερμαίνει το περιβάλλον υλικό και είναι ο λόγος που ένα κομμάτι ραδιενεργού υλικού είναι γενικά θερμότερο από το περιβάλλον του.

Η μονάδα ενέργειας στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI), το Joule (J), είναι πολύ μεγάλη για να μετρήσει την ενέργεια που απελευθερώνεται από έναν μόνο πυρήνα. Κατά σύμβαση, χρησιμοποιούμε ως μονάδα το MeV (εκατομμύρια ηλεκτρόνιο-βολτ), όπου 1MeV = 10⁶eV και 1eV = 1.602177x10^-19J.

Μια πυρηνική αντίδραση που απελευθερώνει μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας είναι η σχάση ενός βαρύ πυρήνα. Για παράδειγμα, όταν ένας απλός πυρήνας ²³⁵U υφίσταται σχάση, απελευθερώνονται περίπου 200MeV. Πρόκειται για μεγάλο ποσό ενέργειας, όπως φαίνεται και από μερικές συγκρίσεις:

1. η ενέργεια που απελευθερώνεται όταν ένα άτομο άνθρακα καίγεται στον αέρα είναι περίπου 4eV (ΟΧΙ MeV), περίπου πενήντα εκατομμύρια φορές μικρότερη!
2. η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την διάσπαση άλφα ή βήτα είναι συνήθως μερικά MeV
3. η ενέργεια που απελευθερώνεται στην πυρηνική σύντηξη είναι της τάξης των 20MeV

Η πιο σημαντική σύγκριση είναι αυτή μεταξύ των ατομικών ή μοριακών ενεργειών και των πυρηνικών ενεργειών. Οι πρώτες είναι πάντα περίπου ένα εκατομμύριο φορές μικρότερες από τις πυρηνικές ενέργειες. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούμε να πάρουμε περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από το ουράνιο από ότι από την καύση άνθρακα του ίδιου βάρους.