Le soleil et les étoiles sont des sources à priori inépuisables d'énergie. Elle est le résultat de réactions nucléaires, dans laquelle la matière est transformée en énergie. Nous avons été en mesure d'exploiter ce mécanisme et l'utiliser couramment afin de produire de l'énergie. Actuellement, l'énergie nucléaire fournit environ 16% de l'électricité mondiale.

Contrairement aux étoiles, les réacteurs nucléaires que nous avons aujourd'hui fonctionnent sur le principe de la fission nucléaire. Les scientifiques travaillent sans relâche pour fabriquer des réacteurs à fusion, qui pourront potentiellement fournir plus d'énergie avec moins d'inconvénients comparés aux réacteurs à fission.

Les photos montrent une centrale nucléaire traditionnelle, et la chambre d'un réacteur à fusion Tokamak.

Les noyaux atomiques libèrent de l’énergie en excès lorsqu’ils sont en capacité de le faire. Par exemple, un isotope radioactif peut spontanément libérer de l'énergie en subissant une décroissance radioactive. Cependant, parfois, un noyau a besoin d'un stimulus externe pour libérer de l'énergie.

La fission nucléaire (fractionnement des noyaux) et la fusion nucléaire (la jonction des noyaux) sont des processus nucléaires qui résultent tous deux de la libération d'énergie qui n’est plus nécessaire au noyau, après que la fission nucléaire ou la fusion nucléaire se soient produites.

L'énergie nucléaire qui est libérée dans un processus nucléaire peut être calculée à partir de la différence de masse entre le noyau d'origine et des produits issus de sa réaction. La célèbre relation énergie de masse d’Einstein, E=mc², nous permet de calculer la variation de l'énergie du noyau ∆E, lorsque nous mesurons la variation de la masse du noyau ∆m.

Le terme «fission» signifie «se fendre», donc dans la fission nucléaire, la séparation des noyaux atomiques produit généralement deux ou trois noyaux plus petits. Nous constatons que, lorsque se produit la fission nucléaire, la masse des produits de la réaction est inférieure à la masse d'origine du noyau ou des particules qui réagissent, ce qui entraîne la libération de l'énergie qui a été utilisée pour lier ensemble le noyau d'origine. C'est le cas d'éléments à noyaux lourds (tels que l'uranium).

Dans le même contexte, le terme "fusion" signifie la combinaison de noyaux ensemble. Dans la fusion nucléaire la masse totale du produit de la réaction (appelée aussi le noyau fils) est toujours inférieure à la masse d'origine du noyau ou aux particules réactives, même si les deux noyaux sont maintenant combinés. C'est parce qu'il faut moins d'énergie pour les atomes avec des noyaux plus légers (à partir d'éléments tels que l'hélium) pour exister et fusionner ensemble, que pour exister individuellement. Par conséquent, l'énergie est libérée lorsque la fusion de noyaux légers se déroule. La fusion nucléaire est plus fréquente que la fission dans la nature et est plus facilement obtenue en utilisant des éléments plus légers tels que l'hydrogène, l'hélium et carbone.

En général, si le noyau est formé à partir de "collage" de nucléons ensemble, sa masse est inférieure à celle des nucléons libres originaux. Cet effet est connu sous le nom de défaut de masse.

L'énergie nucléaire est libérée sous forme d'énergie cinétique des particules produites, et aussi comme une radiation électromagnétique (rayons gamma). Les particules de haute énergie entrent en collision avec des atomes dans le matériau environnant, ralentissent car ils transfèrent leur énergie aux autres particules en entrant en collision avec elles. Cela chauffe la matière environnante et c’est la raison pour laquelle un morceau de matière radioactive est généralement plus chaud que son environnement.

L'unité SI de l'énergie, le Joule (J), est trop grande pour mesurer l'énergie libérée par un seul noyau. Par convention, on utilise le MeV (million d'électron-volt), où 1 MeV = 10⁶eV et 1eV = 1.602177x10^-19J.

Un processus nucléaire qui libère une grande quantité d'énergie est la fission d'un noyau lourd. Par exemple, quand un seul noyau ²³⁵U subit une fission, près de 200 MeV sont libérés. Cela représente beaucoup d'énergie comme on peut le voir à partir de quelques comparaisons:

1. l'énergie libérée dans l’air lors de la combustion d'un seul atome de carbone est d'environ 4 eV (et non MeV), soit une cinquantaine de millions de fois plus petit!
2. l'énergie libérée dans la désintégration Alpha ou Bêta est typiquement de quelques MeV
3. l'énergie libérée dans la fusion nucléaire est de l'ordre de 20 MeV

La comparaison la plus significative est celle entre les énergies atomiques ou moléculaires et les énergies nucléaires. Les premiers sont toujours environ un million de fois plus petit que les énergies nucléaires. C'est la raison pour laquelle nous pouvons obtenir environ un million de fois plus d'énergie de l'uranium qu’à partir de la même quantité de charbon.