Solen och stjärnorna är till synes outtömliga energikällor. Denna energi är resultatet av kärnreaktioner där materia omvandlas till energi. Vi har lyckats tämja denna mekanism och använder den regelbundet för att producera el. I dag står kärnenergin för ungefär 16 % av världens elektricitet.

Till skillnad från stjärnorna bygger de kärnreaktorer vi har i dag på principen om fission, alltså klyvning av atomkärnor. Forskare arbetar dygnet runt med att bygga fusionsreaktorer, som skulle kunna ge mer energi med färre nackdelar än fissionsreaktorer.

Bilderna visar ett traditionellt kärnkraftverk och kammaren i en Tokamak-fusionsreaktor.

Atomkärnor avger överskottsenergi när de har möjlighet till det. En radioaktiv isotop kan till exempel spontant avge energi genom radioaktivt sönderfall. Ibland behöver en kärna dock en yttre påverkan för att avge energi.

Fission (klyvning av kärnor) och fusion (sammanslagning av kärnor) är kärnprocesser som båda leder till att energi frigörs som den resulterande kärnan inte längre behöver, efter att fissionen eller fusionen har ägt rum.

Den kärnenergi som frigörs i en kärnprocess kan beräknas ur skillnaden i massa mellan den ursprungliga kärnan och reaktionsprodukterna. Einsteins berömda samband mellan energi och massa, E=mc², gör det möjligt att beräkna förändringen i kärnans energi ∆E när vi mäter förändringen i kärnans massa ∆m.

Ordet ”fission” betyder ”klyvning”, så vid fission klyvs atomkärnan och bildar vanligen två eller tre mindre kärnor. Det visar sig att när fission sker är reaktionsprodukternas massa mindre än den ursprungliga massan hos kärnan eller de reagerande partiklarna, vilket gör att den energi som höll samman den ursprungliga kärnan frigörs. Så är det för grundämnen med tunga kärnor (som uran).

På samma sätt betyder ordet ”fusion” att kärnor slås samman. Vid fusion är reaktionsproduktens totala massa (även kallad dotterkärnan) fortfarande mindre än den ursprungliga massan hos kärnorna eller de reagerande partiklarna, trots att två kärnor nu har slagits samman. Det beror på att det krävs mindre energi för atomer med lätta kärnor (från grundämnen som helium) att existera sammanslagna än var för sig. Därför frigörs energi när lätta kärnor fusionerar. Fusion är vanligare än fission i naturen och uppnås lättast med lätta grundämnen som väte, helium och kol.

Generellt gäller att när en kärna bildas genom att nukleoner ”limmas” ihop är dess massa mindre än massan hos de ursprungliga fria nukleonerna. Denna effekt kallas massdefekt.

Kärnenergi frigörs som rörelseenergi (kinetisk energi) hos de bildade partiklarna och dessutom som elektromagnetisk strålning (gammastrålning). De högenergetiska partiklarna kolliderar med atomer i det omgivande materialet och bromsas in när de överför sin energi till de partiklar de kolliderar med. Det värmer upp det omgivande materialet och är anledningen till att en klump radioaktivt material oftast är varmare än omgivningen.

SI-enheten för energi, joule (J), är för stor för att mäta den energi som frigörs av en enda kärna. Därför använder man i stället MeV (miljoner elektronvolt), där 1MeV = 10⁶eV och 1eV = 1,602177x10^-19J.

En kärnprocess som frigör en stor mängd energi är fission av en tung kärna. När till exempel en enda ²³⁵U-kärna klyvs frigörs omkring 200MeV. Det är mycket energi, vilket framgår av några jämförelser:

1. den energi som frigörs när en enda kolatom förbränns i luft är omkring 4eV (INTE MeV), alltså ungefär femtio miljoner gånger mindre!
2. den energi som frigörs vid alfa- eller betasönderfall är vanligen några få MeV
3. den energi som frigörs vid fusion är av storleksordningen 20MeV

Den viktigaste jämförelsen är den mellan atomära eller molekylära energier och kärnenergier. De förstnämnda är alltid omkring en miljon gånger mindre än kärnenergierna. Det är därför vi kan få ut ungefär en miljon gånger så mycket energi ur uran som ur samma vikt kol.