Solen og stjernerne er tilsyneladende uudtømmelige energikilder. Denne energi er resultatet af kernereaktioner, hvor stof omdannes til energi. Det er lykkedes os at udnytte denne mekanisme, og vi bruger den nu jævnligt til at producere strøm. I dag leverer kerneenergi omkring 16 % af verdens elektricitet.

I modsætning til stjernerne fungerer de atomreaktorer, vi har i dag, efter princippet om kernespaltning (fission). Forskere arbejder i døgndrift på at bygge fusionsreaktorer, som potentielt kan levere mere energi med færre ulemper end fissionsreaktorer.

Figurerne viser et traditionelt atomkraftværk og kammeret i en Tokamak-fusionsreaktor.

Atomkerner afgiver overskydende energi, når de har mulighed for det. En radioaktiv isotop kan for eksempel spontant afgive energi ved at gennemgå radioaktivt henfald. Nogle gange har en kerne dog brug for en ydre påvirkning for at afgive energi.

Kernespaltning (fission, hvor kerner deles) og kernefusion (hvor kerner smelter sammen) er kerneprocesser, der begge resulterer i frigørelse af energi, som den resulterende kerne ikke længere har brug for, efter at fissionen eller fusionen har fundet sted.

Den kerneenergi, der frigøres i en kerneproces, kan beregnes ud fra masseforskellen mellem den oprindelige kerne og reaktionsprodukterne. Einsteins berømte sammenhæng mellem energi og masse, E=mc², gør det muligt at beregne ændringen i kernens energi ∆E, når vi måler ændringen i kernens masse ∆m.

Ordet “fission” betyder “spaltning”, så ved kernespaltning deles atomkernen typisk i to eller tre mindre kerner. Det viser sig, at når en fission finder sted, er reaktionsprodukternes masse mindre end den oprindelige masse af kernen eller de reagerende partikler, og derved frigøres den energi, der holdt den oprindelige kerne sammen. Det gælder grundstoffer med tunge kerner (som uran).

På samme måde betyder ordet “fusion” sammensmeltning af kerner. Ved kernefusion er reaktionsproduktets samlede masse (også kaldet datterkernen) stadig mindre end den oprindelige masse af kernerne eller de reagerende partikler, selvom to kerner nu er smeltet sammen. Det skyldes, at det kræver mindre energi for atomer med lette kerner (fra grundstoffer som helium) at eksistere sammensmeltet end hver for sig. Derfor frigøres der energi, når lette kerner fusionerer. Kernefusion er mere almindelig end fission i naturen og opnås lettest med lette grundstoffer som brint, helium og kulstof.

Generelt gælder det, at når en kerne dannes ved at “lime” nukleoner sammen, er dens masse mindre end massen af de oprindelige frie nukleoner. Denne effekt kaldes massedefekten.

Kerneenergi frigøres som bevægelsesenergi (kinetisk energi) hos de dannede partikler og desuden som elektromagnetisk stråling (gammastråling). De højenergetiske partikler støder sammen med atomer i det omgivende materiale og bremses op, efterhånden som de overfører deres energi til de partikler, de støder ind i. Det opvarmer det omgivende materiale og er grunden til, at en klump radioaktivt materiale som regel er varmere end omgivelserne.

SI-enheden for energi, joule (J), er for stor til at måle den energi, der frigøres af en enkelt kerne. Derfor bruger man i stedet MeV (million elektronvolt), hvor 1MeV = 10⁶eV og 1eV = 1,602177x10^-19J.

En kerneproces, der frigør en stor mængde energi, er fission af en tung kerne. Når for eksempel en enkelt ²³⁵U-kerne spaltes, frigøres der omkring 200MeV. Det er meget energi, som det fremgår af nogle sammenligninger:

1. den energi, der frigøres, når et enkelt kulstofatom brænder i luft, er omkring 4eV (IKKE MeV), altså omkring halvtreds millioner gange mindre!
2. den energi, der frigøres ved alfa- eller betahenfald, er typisk nogle få MeV
3. den energi, der frigøres ved kernefusion, er af størrelsesordenen 20MeV

Den vigtigste sammenligning er den mellem atomare eller molekylære energier og kerneenergier. De førstnævnte er altid omkring en million gange mindre end kerneenergierne. Det er grunden til, at vi kan få omkring en million gange så meget energi ud af uran som ud af den samme vægt kul.