Słońce i gwiazdy zdają się być niewyczerpalnymi źródłami energii pochodzącej z reakcji jądrowych, w których materia jest przekształcana w energię. Jesteśmy w stanie zaprząc ten mechanizm do regularnej produkcji użytecznej mocy. Obecnie energia jądrowa dostarcza około 16% światowej produkcji elektryczności.

W reaktorach jądrowych, inaczej niż w gwiazdach, produkcja energii następuje dzięki rozszczepianiu jąder atomowych. Naukowcy od lat usilnie pracują nad uzyskaniem fuzji (syntezy) jądrowej, czyli reakcji termojądrowej, która potencjalnie może dostarczać więcej energii przy mniejszej liczbie zjawisk niepożądanych w porównaniu do reakcji rozszczepienia jądrowego.

Na ilustracjach widzimy tradycyjną elektrownię jądrową oraz komorę termojądrowego reaktora Tokamak.

Jądro atomowe uwalnia energię kiedy ma do tego środki. Na przykład izotop radioaktywny może spontanicznie wyzwolić energię przez rozpad. Jednak czasami jądro rozpada się dopiero po otrzymaniu z zewnątrz energii stymulującej rozpad.

Rozpad jądrowy (rozszczepienie jądra atomowego) oraz fuzja jądrowa (łączenie jąder) to dwa procesy jądrowe przebiegające z emisją energii, której nie potrzebuje jądro wynikowe powstałe w wyniku rozpadu lub fuzji.

Energia jądrowa uwolniona podczas procesu jądrowego może zostać obliczona jako różnica mas jądra oryginalnego i produktów rozpadu (rozszczepienia). Słynny wzór Einsteina E=mc² określający zależność energii i masy pozwala na obliczenie zmiany energii jądra ∆E, przez pomiar zmiany jego masy ∆m.

Termin "rozszczepienie" oznacza "podział na oddzielne części", a więc w wyniku rozszczepienia jądra powstają zwykle dwa lub trzy mniejsze jądra. Gdy następuje rozszczepienie, masa produktów reakcji jest mniejsza od oryginalnej masy jądra lub wchodzących w reakcję cząstek. W rezultacie następuje uwolnienie energii dotychczas używanej do wiązania w całość jądra startowego. Tak jest w przypadku jąder ciężkich (takich jak Uran).

Odpowiednio określenie "fuzja" oznacza łączenie jąder w jedną całość. W wyniku fuzji jądrowej całkowita masa produktu reakcji jest mniejsza od oryginalnych mas jądra lub cząstek wchodzących w reakcję, nawet gdy dwa jądra zostają połączone. Tak jest gdyż lżejsze jądra (od pierwiastków takich jak hel) potrzebują mniej energii na istnienie w połączeniu niż oddzielnie. Dlatego przy łączeniu lżejszych pierwiastków jest emitowana energia. W naturze fuzja występuje częściej niż rozszczepienie i jest najłatwiej osiągalna dla najlżejszych pierwiastków takich, jak wodór, hel i węgiel.

Ogólnie, jeśli jądro powstaje poprzez „sklejenie” jąder razem, jego masa jest mniejsza od masy pierwotnych jąder swobodnych. Efekt ten jest znany pod nazwą defektu masy.

Energia jądrowa jest uwalniana w postaci energii kinetycznej wytwarzanych cząstek, a także jako promieniowanie elektromagnetyczne (promienie gamma). Cząstki o wysokiej energii zderzają się z atomami w otaczającym materiale, spowalniając je, gdy przenoszą swoją energię na inne cząstki, z którymi się zderzają. Ogrzewa to otaczający materiał i powoduje, że bryła materiału radioaktywnego jest generalnie cieplejsza niż jego otoczenie.

Jednostka energii w układzie SI, dżul (J), jest zbyt duża, aby zmierzyć energię uwalnianą przez pojedyncze jądro. Zgodnie z konwencją używamy do tego MeV (milion elektronowoltów), gdzie 1MeV = 10⁶eV and 1eV = 1.602177x10^-19J.

Procesem jądrowym, który uwalnia dużą ilość energii, jest rozszczepienie ciężkiego jądra. Na przykład, gdy pojedyncze jądro ²³⁵U ulega rozszczepieniu, uwalniane jest około 200 MeV. Jest to dużo energii, co pokazują porównania:

1. energia uwalniana podczas spalania jednego atomu węgla w powietrzu to około 4eV (NIE MeV), około pięćdziesiąt milionów razy mniejsza!
2. energia uwalniana podczas rozpadu alfa lub beta wynosi zwykle kilka MeV
3. energia uwolniana podczas syntezy jądrowej jest rzędu 20 MeV

Najbardziej znaczące jest porównanie energii atomowej lub molekularnej z energią jądrową. Obie są zawsze około miliona razy mniejsze od energii jądrowej. Dlatego możemy uzyskać około miliona razy więcej energii z uranu niż z tej samej masy węgla.