De zon en de sterren lijken onuitputtelijke bronnen van energie. Deze energie ontstaat door kernreacties waarbij materie in energie wordt omgezet. De mens is er in geslaagd dat mechanisme ook onder controle te krijgen en te gebruiken om energie te produceren. Ongeveer 16% van de elektriciteit die in de wereld verbruikt wordt, is afkomstig van kernenergie.

In tegenstelling tot de sterren, zijn de kernreactoren die we voor de productie van elektriciteit gebruiken, gebaseerd op kernsplijting of fissie. Er wordt heel intensief, en in een brede internationale samenwerking, gewerkt aan de ontwikkeling van kernfusiereactoren, die wel gebaseerd zijn op kernreacties die ook in onze zon gebeuren. Kernfusie heeft bovendien geen last van een aantal grote nadelen van kernsplijting, zoals het kernafvalprobleem.

De figuren tonen een traditionele kernenergiecentrale (links) en de binnenzijde van een zogenaamde Tokamak kernfusiereactor.

Atoomkernen staan overtollige energie af zodra ze daar de mogelijkheid toe hebben. Een radioactief isotoop kan bijvoorbeeld spontaan energie afgeven door radioactief verval, via het uitzenden van bijvoorbeeld alfa-, bèta- of gammastraling. In sommige gevallen heeft een atoomkern een externe stimulans nodig om energie vrij te geven.

Kernsplijting of kernfissie (waarbij een atoomkern echt in twee kleinere atoomkernen splitst) of kernfusie (waarbij twee kleinere atoomkernen samensmelten tot één grotere) zijn twee processen waarbij energie wordt afgegeven omdat de daarbij ontstane atoomkern(en) die niet langer nodig heeft(hebben).

De energie die vrijkomt bij processen in de atoomkern kan worden berekend uit het verschil in massa tussen de oorspronkelijke atoomkern en de reactieproducten. Met de welbekende massa-energie relatie van Einstein, E=mc², kan de verandering in energie, ∆E, van een atoomkern berekend worden als we de verandering in massa, ∆m, meten.

De term “fissie” betekent “splitsen”. Bij kernfissie splitst een atoomkern op in twee kleinere atoomkernen (fissiefragmenten genoemd) en enkele neutronen. De fissiefragmenten en de neutronen noemt men de reactieproducten. Een atoomkern kan dit spontaan doen, of nadat een traag bewegend (“thermisch”) neutron in de atoomkern binnendringt. Bij kernsplijting is de massa van de reactieproducten kleiner dan de originele massa van de kern of de kern en het neutron vóór splijting. Kernsplijting is een proces dat optreedt bij zware atoomkernen, zoals uranium.

De term “kernfusie” betekent dat twee kleinere atoomkernen tot één grotere samensmelten (die wordt ook wel de dochterkern genoemd). Bij kernfusie is de totale massa van de door de fusie geproduceerde atoomkern kleiner dan de som van de massa’s van de twee kleinere kernen die zijn samengesmolten. Dit is zo omdat het voor atomen met lichte atoomkernen (zoals bijvoorbeeld waterstof en helium) blijkbaar minder energie kost om samen als één atoomkern te bestaan, dan ieder apart. Daardoor komt er energie vrij bij de fusie van twee lichte atoomkernen. Kernfusie komt meer algemeen voor dan kernsplijting en verloopt het makkelijkst voor lichte elementen, zoals waterstof, helium en koolstof.

In het algemeen blijkt het in de natuur zo te zijn dat als een atoomkern gevormd wordt door nucleonen (protonen en neutronen dus) samen te voegen, de massa van de zo gevormde atoomkern kleiner is dan de massa van de oorspronkelijke vrije nucleonen. Dit effect is gekend onder de naam “massa defect”.

De energie die in atoomkernen wordt vrijgemaakt (kernenergie) komt vrij in de vorm van kinetische energie van de reactieproducten (bv. de fissiefragmenten of de dochterkern die bij kernfusie geproduceerd werd) en als elektromagnetische straling (gammastraling). De hoogenergetische fissiefragmenten en de dochterkernen botsen met atomen in de materialen in hun omgeving. Daarbij geven ze energie af aan deze atomen waarbij ze zelf dan vertragen. Door deze energieafgifte warmen de materialen in de omgeving op. Dit materiaal kan bijvoorbeeld een grote hoeveelheid water in een tank zijn (zoals bij kernsplijting) dat wordt opgewarmd en in stoom wordt omgezet, waarmee dan een turbine kan worden aangedreven waarmee elektriciteit kan worden opgewekt.

De IS (Internationaal Systeem van eenheden) eenheid van energie, de Joule (J), is veel te groot om de energie te meten die door één enkele atoomkern wordt vrijgegeven. Fysici en ingenieurs gebruiken daarom de MeV (een miljoen elektronVolt) hiervoor, waarbij 1 MeV = 10⁶eV and 1eV = 1.602177x10^-19J.

Een kernreactie waarbij een grote hoeveelheid energie vrij komt is de splijting van een zware atoomkern. Wanneer bijvoorbeeld één enkele atoomkern van ²³⁵U uiteenvalt door kernsplijting, komt er ongeveer 200 MeV vrij. Dat dit een grote hoeveelheid energie is blijkt uit volgende vergelijkingen: For e

1. de energie die vrijkomt wanneer één enkel koolstofatoom (zoals er heel wat in steenkool zitten bijvoorbeeld) in de lucht wordt verbrand is ongeveer 4 eV (en GEEN MeV), ongeveer 50 miljoen maal minder dan wanneer een atoomkern van ²³⁵U splijt;
2. de energie die meestal vrijkomt bij alfa- en bètaverval is typisch van de orde van enkele MeV;
3. de energie die bij de kernfusie van twee waterstofatomen vrij komt is ongeveer 20 MeV.

De meest frappante vergelijking is deze van atomaire en moleculaire energieën met kernenergie. De eerste zijn altijd een miljoen maal kleiner dan kernenergie. Dat is ook de reden waarom we met uranium een miljoen keer meer energie kunnen produceren dan met dezelfde hoeveelheid (in gewicht) steenkool.