O Sol e as estrelas parecem ser fontes inesgotáveis de energia. Essa energia resulta de reações nucleares, nas quais a matéria é convertida em energia. Conseguimos dominar esse mecanismo e utilizamo-lo regularmente para produzir eletricidade. Atualmente, a energia nuclear fornece cerca de 16% da eletricidade mundial.

Ao contrário das estrelas, os reatores nucleares que temos atualmente funcionam com base no princípio da fissão nuclear. Os cientistas trabalham sem descanso para construir reatores de fusão, que têm o potencial de fornecer mais energia com menos desvantagens do que os reatores de fissão.

As figuras mostram uma central nuclear tradicional e a câmara de um reator de fusão do tipo Tokamak.

Os núcleos atómicos libertam o excesso de energia quando dispõem de um meio para o fazer. Por exemplo, um isótopo radioativo pode libertar energia espontaneamente através de decaimento radioativo. No entanto, por vezes um núcleo necessita de um estímulo externo para libertar energia.

A fissão nuclear (a divisão de núcleos) e a fusão nuclear (a união de núcleos) são processos nucleares que resultam ambos na libertação da energia de que o núcleo resultante já não necessita, depois de a fissão ou a fusão nuclear terem ocorrido.

A energia nuclear libertada num processo nuclear pode ser calculada a partir da diferença de massa entre o núcleo original e os produtos da reação. A famosa relação energia-massa de Einstein, E=mc², permite-nos calcular a variação da energia do núcleo ∆E quando medimos a variação da massa do núcleo ∆m.

O termo «fissão» significa «divisão», pelo que na fissão nuclear a divisão dos núcleos atómicos produz tipicamente dois ou três núcleos mais pequenos. Verificamos que, quando ocorre a fissão nuclear, a massa dos produtos da reação é menor do que a massa original do núcleo ou das partículas que reagem, o que resulta na libertação da energia que servia para manter coeso o núcleo original. É este o caso dos elementos com núcleos pesados (como o urânio).

No mesmo contexto, o termo «fusão» significa combinar núcleos entre si. Na fusão nuclear, a massa total do produto da reação (também chamado núcleo filho) continua a ser menor do que a massa original do núcleo ou das partículas que reagem, apesar de dois núcleos estarem agora combinados. Isto acontece porque é necessária menos energia para que átomos com núcleos leves (de elementos como o hélio) existam fundidos do que separados. Por isso, é libertada energia quando ocorre a fusão de núcleos leves. Na natureza, a fusão nuclear é mais comum do que a fissão e obtém-se mais facilmente com elementos leves como o hidrogénio, o hélio e o carbono.

De um modo geral, se um núcleo é formado «colando» nucleões uns aos outros, a sua massa é menor do que a massa dos nucleões livres originais. Este efeito é conhecido como defeito de massa.

A energia nuclear é libertada sob a forma de energia cinética das partículas produzidas e também como radiação eletromagnética (raios gama). As partículas de alta energia colidem com os átomos do material circundante, abrandando à medida que transferem a sua energia para as outras partículas com que colidem. Isto aquece o material circundante e é a razão pela qual um bloco de material radioativo está geralmente mais quente do que aquilo que o rodeia.

A unidade SI de energia, o joule (J), é demasiado grande para medir a energia libertada por um único núcleo. Por convenção, usamos para isso o MeV (milhão de eletrão-volt), em que 1 MeV = 10⁶ eV e 1 eV = 1,602177x10^-19 J.

Um processo nuclear que liberta uma grande quantidade de energia é a fissão de um núcleo pesado. Por exemplo, quando um único núcleo de ²³⁵U sofre fissão, são libertados cerca de 200 MeV. Trata-se de muita energia, como se pode ver por algumas comparações:

1. a energia libertada quando um único átomo de carbono é queimado no ar é de cerca de 4 eV (NÃO MeV), cerca de cinquenta milhões de vezes menor!
2. a energia libertada no decaimento alfa ou beta é tipicamente de alguns MeV
3. a energia libertada na fusão nuclear é da ordem de 20 MeV

A comparação mais significativa é a que se faz entre as energias atómicas ou moleculares e as energias nucleares. As primeiras são sempre cerca de um milhão de vezes menores do que as nucleares. É esta a razão pela qual conseguimos obter do urânio cerca de um milhão de vezes mais energia do que do mesmo peso de carvão.