Die Sonne und die Sterne sind scheinbar unerschöpfliche Energiequellen. Diese Energie ist das Ergebnis von Kernreaktionen, bei denen Materie in Energie umgewandelt wird. Wir haben diesen Mechanismus nutzbar gemacht und setzen ihn regelmäßig zur Stromerzeugung ein. Derzeit liefert Kernenergie etwa 16% des weltweiten Stroms.

Im Gegensatz zu den Sternen arbeiten die heutigen Kernreaktoren nach dem Prinzip der Kernspaltung. Wissenschaftler arbeiten rund um die Uhr daran, Fusionsreaktoren zu entwickeln, die das Potenzial haben, mehr Energie mit weniger Nachteilen im Vergleich zu Spaltungsreaktoren zu liefern.

Die Abbildungen zeigen ein herkömmliches Kernkraftwerk und die Kammer eines Tokamak-Fusionsreaktors.

Atomkerne setzen überschüssige Energie frei, wenn sie dazu in der Lage sind. Ein radioaktives Isotop kann beispielsweise spontan Energie durch radioaktiven Zerfall freisetzen. Manchmal benötigt ein Kern jedoch einen äußeren Impuls, um Energie freizusetzen.

Kernspaltung (das Aufteilen von Kernen) und Kernfusion (das Zusammenfügen von Kernen) sind Kernprozesse, die beide zur Freisetzung von Energie führen, die vom resultierenden Kern nicht mehr benötigt wird, nachdem Kernspaltung oder Kernfusion stattgefunden hat.

Die bei einem Kernprozess freigesetzte Kernenergie kann aus der Massendifferenz zwischen dem ursprünglichen Kern und seinen Reaktionsprodukten berechnet werden. Einsteins berühmte Energie-Masse-Beziehung, E=mc², ermöglicht es uns, die Energieänderung des Kerns ∆E zu berechnen, wenn wir die Massenänderung des Kerns ∆m messen.

Der Begriff „Spaltung" bedeutet „Auseinanderteilen", daher werden bei der Kernspaltung durch das Aufteilen von Atomkernen typischerweise zwei oder drei kleinere Kerne erzeugt. Wir stellen fest, dass bei der Kernspaltung die Masse der Reaktionsprodukte geringer ist als die ursprüngliche Masse des Kerns oder der reagierenden Teilchen, was zur Freisetzung der Energie führt, die zur Bindung des ursprünglichen Kerns verwendet wurde. Dies gilt für Elemente mit schweren Kernen (wie Uran).

Im gleichen Zusammenhang bedeutet der Begriff „Fusion" das Zusammenfügen von Kernen. Bei der Kernfusion ist die Gesamtmasse des Reaktionsprodukts (auch Tochterkern genannt) immer noch geringer als die ursprüngliche Masse des Kerns oder der reagierenden Teilchen, obwohl nun zwei Kerne kombiniert sind. Dies liegt daran, dass es für Atome mit leichteren Kernen (aus Elementen wie Helium) weniger Energie erfordert, zusammengefügt zu existieren, als einzeln zu existieren. Daher wird Energie freigesetzt, wenn leichtere Kerne fusionieren. Kernfusion ist häufiger als Spaltung in der Natur und lässt sich am leichtesten mit leichteren Elementen wie Wasserstoff, Helium und Kohlenstoff erzielen.

Wenn ein Kern durch „Zusammenkleben" von Nukleonen gebildet wird, ist seine Masse kleiner als die Masse der ursprünglichen freien Nukleonen. Dieser Effekt ist als Massendefekt bekannt.

Kernenergie wird in Form von kinetischer Energie der erzeugten Teilchen sowie als elektromagnetische Strahlung (Gammastrahlen) freigesetzt. Die hochenergetischen Teilchen stoßen mit Atomen im umgebenden Material zusammen und verlangsamen sich dabei, indem sie ihre Energie auf andere Teilchen übertragen, mit denen sie zusammenstoßen. Dies erhitzt das umgebende Material und ist der Grund, warum ein Stück radioaktives Material im Allgemeinen wärmer ist als seine Umgebung.

Die SI-Einheit der Energie, das Joule (J), ist zu groß, um die von einem einzelnen Kern freigesetzte Energie zu messen. Konventionsgemäß verwenden wir dafür das MeV (Millionen-Elektronenvolt), wobei 1MeV = 10⁶eV und 1eV = 1,602177x10^-19J gilt.

Ein Kernprozess, der eine große Energiemenge freisetzt, ist die Spaltung eines schweren Kerns. Wenn beispielsweise ein einzelner ²³⁵U-Kern gespalten wird, werden etwa 200 MeV freigesetzt. Dies ist sehr viel Energie, wie aus einigen Vergleichen ersichtlich wird:

1. Die beim Verbrennen eines einzelnen Kohlenstoffatoms in Luft freigesetzte Energie beträgt etwa 4 eV (NICHT MeV), etwa fünfzig Millionen Mal kleiner!
2. Die bei Alpha- oder Betazerfall freigesetzte Energie beträgt typischerweise einige MeV
3. Die bei der Kernfusion freigesetzte Energie liegt in der Größenordnung von 20 MeV

Der bedeutendste Vergleich ist der zwischen atomaren oder molekularen Energien und Kernenergien. Erstere sind immer etwa eine Million Mal kleiner als Kernenergien. Aus diesem Grund können wir aus Uran etwa eine Million Mal mehr Energie gewinnen als aus der gleichen Gewichtsmenge Kohle.