Sola og stjernene er tilsynelatende uuttømmelige energikilder. Denne energien er resultatet av kjernereaksjoner der materie omdannes til energi. Vi har klart å temme denne mekanismen og bruker den jevnlig til å produsere strøm. I dag står kjerneenergi for omtrent 16 % av verdens elektrisitet.

I motsetning til stjernene bygger dagens kjernereaktorer på prinsippet om fisjon, det vil si spalting av atomkjerner. Forskere arbeider døgnet rundt med å bygge fusjonsreaktorer, som kan gi mer energi med færre ulemper enn fisjonsreaktorer.

Bildene viser et tradisjonelt kjernekraftverk og kammeret i en Tokamak-fusjonsreaktor.

Atomkjerner avgir overskuddsenergi når de har mulighet til det. En radioaktiv isotop kan for eksempel spontant avgi energi gjennom radioaktivt henfall. Noen ganger trenger en kjerne imidlertid en ytre påvirkning for å avgi energi.

Fisjon (spalting av kjerner) og fusjon (sammensmelting av kjerner) er kjerneprosesser som begge fører til at det frigjøres energi som den resulterende kjernen ikke lenger trenger, etter at fisjonen eller fusjonen har funnet sted.

Kjerneenergien som frigjøres i en kjerneprosess, kan beregnes ut fra masseforskjellen mellom den opprinnelige kjernen og reaksjonsproduktene. Einsteins berømte sammenheng mellom energi og masse, E=mc², gjør det mulig å beregne endringen i kjernens energi ∆E når vi måler endringen i kjernens masse ∆m.

Ordet «fisjon» betyr «spalting», så ved fisjon spaltes atomkjernen, vanligvis i to eller tre mindre kjerner. Det viser seg at når fisjon skjer, er reaksjonsproduktenes masse mindre enn den opprinnelige massen til kjernen eller de reagerende partiklene, slik at energien som holdt den opprinnelige kjernen sammen, frigjøres. Dette gjelder grunnstoffer med tunge kjerner (som uran).

På samme måte betyr ordet «fusjon» at kjerner smelter sammen. Ved fusjon er reaksjonsproduktets totale masse (også kalt datterkjernen) fortsatt mindre enn den opprinnelige massen til kjernene eller de reagerende partiklene, selv om to kjerner nå har smeltet sammen. Det skyldes at det krever mindre energi for atomer med lette kjerner (fra grunnstoffer som helium) å eksistere sammensmeltet enn hver for seg. Derfor frigjøres det energi når lette kjerner fusjonerer. Fusjon er vanligere enn fisjon i naturen og oppnås lettest med lette grunnstoffer som hydrogen, helium og karbon.

Generelt gjelder det at når en kjerne dannes ved at nukleoner «limes» sammen, er massen mindre enn massen til de opprinnelige frie nukleonene. Denne effekten kalles massedefekt.

Kjerneenergi frigjøres som bevegelsesenergi (kinetisk energi) hos partiklene som dannes, og dessuten som elektromagnetisk stråling (gammastråling). De høyenergetiske partiklene kolliderer med atomer i materialet rundt og bremses opp når de overfører energien sin til partiklene de kolliderer med. Det varmer opp materialet rundt og er grunnen til at en klump radioaktivt materiale vanligvis er varmere enn omgivelsene.

SI-enheten for energi, joule (J), er for stor til å måle energien som frigjøres av én enkelt kjerne. Derfor bruker man i stedet MeV (millioner elektronvolt), der 1MeV = 10⁶eV og 1eV = 1,602177x10^-19J.

En kjerneprosess som frigjør en stor mengde energi, er fisjon av en tung kjerne. Når for eksempel én enkelt ²³⁵U-kjerne spaltes, frigjøres det omtrent 200MeV. Det er mye energi, noe noen sammenligninger viser:

1. energien som frigjøres når ett enkelt karbonatom brenner i luft, er omtrent 4eV (IKKE MeV), altså omtrent femti millioner ganger mindre!
2. energien som frigjøres ved alfa- eller betahenfall, er typisk noen få MeV
3. energien som frigjøres ved fusjon, er av størrelsesorden 20MeV

Den viktigste sammenligningen er den mellom atomære eller molekylære energier og kjerneenergier. De førstnevnte er alltid omtrent en million ganger mindre enn kjerneenergiene. Det er derfor vi kan få omtrent en million ganger så mye energi ut av uran som av like mye kull.