Il sole e le stelle sono fonti di energia apparentemente inesauribili. Quell'energia è il risultato di reazioni nucleari, in cui la materia viene convertita in energia. Siamo stati in grado di sfruttare questo meccanismo e lo utilizziamo regolarmente per generare energia. Attualmente, l'energia nucleare fornisce circa il 16% dell'elettricità mondiale.

A differenza delle stelle, i reattori nucleari che abbiamo oggi funzionano sul principio della fissione nucleare. Gli scienziati lavorano senza sosta per realizzare reattori a fusione, che hanno il potenziale di fornire più energia con meno svantaggi rispetto ai reattori a fissione.

Le figure mostrano una centrale nucleare tradizionale e la camera di un reattore a fusione Tokamak.

I nuclei atomici rilasciano energia in eccesso quando hanno la possibilità di farlo. Per esempio, un isotopo radioattivo può spontaneamente rilasciare energia attraverso il decadimento radioattivo. Tuttavia, a volte un nucleo ha bisogno di uno stimolo esterno per rilasciare energia.

La fissione nucleare (la divisione dei nuclei) e la fusione nucleare (l'unione dei nuclei) sono processi nucleari che portano entrambi al rilascio di energia non più necessaria al nucleo risultante, dopo che la fissione nucleare o la fusione nucleare è avvenuta.

L'energia nucleare rilasciata in un processo nucleare può essere calcolata dalla differenza di massa tra il nucleo originale e i suoi prodotti di reazione. La famosa relazione energia-massa di Einstein, E=mc², ci permette di calcolare la variazione dell'energia del nucleo ∆E, quando misuriamo la variazione della massa del nucleo ∆m.

Il termine "fissione" significa "divisione", quindi nella fissione nucleare la divisione dei nuclei atomici produce tipicamente due o tre nuclei più piccoli. Osserviamo che quando avviene la fissione nucleare, la massa dei prodotti di reazione è inferiore alla massa originale del nucleo o delle particelle reagenti, con il conseguente rilascio dell'energia utilizzata per tenere insieme il nucleo originale. Questo è il caso degli elementi con nuclei pesanti (come l'Uranio).

Nello stesso contesto, il termine "fusione" significa combinare nuclei insieme. Nella fusione nucleare la massa totale del prodotto di reazione (detto anche nucleo figlio) è ancora inferiore alla massa originale del nucleo o delle particelle reagenti, anche se due nuclei sono ora combinati. Questo perché gli atomi con nuclei più leggeri (di elementi come l'Elio) richiedono meno energia per esistere fusi insieme, piuttosto che esistere individualmente. Pertanto, l'energia viene rilasciata quando avviene la fusione di nuclei più leggeri. La fusione nucleare è più comune della fissione in natura e si ottiene più facilmente usando elementi più leggeri come Idrogeno, Elio e Carbonio.

In generale, se un nucleo si forma "incollando" nucleoni insieme, la sua massa è inferiore alla massa dei nucleoni liberi originali. Questo effetto è noto come difetto di massa.

L'energia nucleare viene rilasciata sotto forma di energia cinetica delle particelle prodotte, e anche come radiazione elettromagnetica (raggi gamma). Le particelle ad alta energia collidono con gli atomi del materiale circostante, rallentando mentre trasferiscono la loro energia ad altre particelle con cui collidono. Questo riscalda il materiale circostante ed è la ragione per cui un pezzo di materiale radioattivo è generalmente più caldo del suo ambiente.

L'unità SI di energia, il Joule (J), è troppo grande per misurare l'energia rilasciata da un singolo nucleo. Per convenzione usiamo il MeV (milione di elettronvolt) per questo, dove 1MeV = 10⁶eV e 1eV = 1,602177x10^-19J.

Un processo nucleare che rilascia una grande quantità di energia è la fissione di un nucleo pesante. Per esempio, quando un singolo nucleo di ²³⁵U subisce la fissione, vengono rilasciati circa 200 MeV. Questa è molta energia come si può vedere da alcuni confronti:

1. L'energia rilasciata quando un singolo atomo di carbonio viene bruciato nell'aria è di circa 4 eV (NON MeV), circa cinquanta milioni di volte più piccola!
2. L'energia rilasciata nel decadimento Alfa o Beta è tipicamente di pochi MeV
3. L'energia rilasciata nella fusione nucleare è dell'ordine di 20 MeV

Il confronto più significativo è quello tra le energie atomiche o molecolari e le energie nucleari. Le prime sono sempre circa un milione di volte più piccole delle energie nucleari. Questo è il motivo per cui possiamo ottenere dall'Uranio circa un milione di volte più energia che dalla stessa quantità di carbone.