Kjerneenergi blir frigjort når bindingsenergien til nukleonene øker. Dette kan skje på tre måter: Ved fusjon bygges tyngre kjerner opp av lettere, som regel ⁴He av hydrogenisotoper. Ved fisjon deles tunge kjerner, f.eks. urankjerner, i to omtrent like store deler, og i radioaktive prosesser sender kjerner ut α, β eller γ-stråling, slik at man får et system med større bindingsenergi.

I alle disse prosessene går den energi som frigjøres dels over til kinetisk energi til den eller de nye kjernene som dannes, dels sendes den ut som stråling. I begge tilfeller vil størsteparten av energien meget snart overføres til varme i stoffet der reaksjonen foregår, og i de nærmeste omgivelsene. Utnyttelse av kjerneenergi vil si utnyttelse av den varme som utvikles ved de nevnte kjernereaksjonene.

Den store interessen for kjerneenergi skyldes de enorme energimengder som frigjøres i kjernefysiske prosesser. Ved fisjon får man frigjort nesten 1 MeV (1,6 · 10⁻¹³ joule) per nukleon som er involvert i prosessen. Ved fusjon frigjøres opptil 6,5 MeV per nukleon. Til sammenligning kan nevnes at det frigjøres cirka 4 eV per molekyl når kull brenner til CO₂. Brukes mer praktiske enheter, finner man at det utvikles en energimengde på omtrent 200 000 kWh når man produserer ett gram ⁴He av deuterium, ²H. Like mye energi får man ved spaltning av 6 gram uran, ved forbrenning av 25 tonn kull og når 800 000 m³ vann faller 100 m. Strengt tatt får man aldri utnyttet energien fullt ut i kjernereaksjoner, fordi man aldri får alle kjernene til å reagere. Likevel er den energi som står til disposisjon mye større enn den man får fra tradisjonelle energikilder.

Det er vanlig å si at man ved kjernereaksjoner omsetter masse til energi. I virkeligheten får man alltid massetap ved frigjøring av energi i overensstemmelse med Einsteins lov E = Δmc², hvor c er lyshastigheten, E er energien som avgis og Δm er det tilsvarende massetapet. I kjemiske prosesser, for eksempel ved forbrenning, blir masseendringene så små at de ikke er målbare (cirka 10⁻¹⁰ ganger den masse som reagerer). Ved fisjon blir derimot masseendringen cirka 0,1 prosent og ved fusjon opptil 0,6 prosent av den involverte massen. Slike masseendringer kan måles, og man kan gå motsatt vei og regne seg til hvor mye energi som står til disposisjon på grunnlag av reaksjonsproduktene og nøyaktige massebestemmelser av kjernene som reagerer.

Fusjon er den prosessen som sørger for at store mengder energi blir frigjort i Sola og i de fleste stjernene. Teknisk utnyttes prosessen i hydrogenbomber. Den kan studeres under kontrollerte forhold ved laboratorieforsøk, men man har hittil ikke klart å sette i gang og kontrollere en fusjonsprosess slik at den løper av seg selv og gir overskudd av energi, selv om det forskes intenst for å oppnå dette. Lykkes forsøkene, kan fusjonsenergi bli menneskenes viktigste energikilde. Energiutbyttet er høyt, og tilgangen på brensel er praktisk talt ubegrenset, men med de resultater som til nå er oppnådd, regner man at det fortsatt vil gå lang tid før fusjonsenergi kommer i bruk i større omfang.

• Les mer om fusjonsreaktor og hydrogenbombe.

Radioaktive prosesser blir i begrenset utstrekning brukt enten for direkte produksjon av elektrisk energi eller for å produsere varme som driver termoelementer. Som regel bruker man kunstig fremstilte radionuklider for dette formålet. Radionuklide-batteriene er ganske små. De kan ha en effekt fra et par watt opp til 100 watt og en vekt fra ett kilogram og opp til noen tonn, avhengig av hvor mye strålingsbeskyttelse som trengs. Levetiden vil, avhengig av hvilken nuklide som benyttes, være fra noen måneder og til cirka 5 år. Batteriene har stor driftssikkerhet og brukes bl.a. i satellitter og andre romfartøyer. De blir også brukt i lysbøyer og for å drive automatiske værobservasjonsposter.

• Les mer om radionuklidebatteri.

Fisjon er den prosess som hittil har hatt og sannsynligvis i lang tid vil ha størst betydning for energiproduksjon, og det er som regel fisjonsenergi man tenker på når man snakker om kjerneenergi. Fisjonsenergi frigjøres ved kjedereaksjon i fissilt materiale. Kort beskrevet foregår prosessen i en fisjonsreaktor ved at en atomkjerne av det fissile stoffet fanger inn et nøytron. Dette får kjernen til å dele seg samtidig som det frigjøres noen få, vanligvis 2–3, nye nøytroner. Disse kan fanges inn av andre kjerner og få også dem til å spaltes. Derved oppstår en kjedereaksjon.

De to delene, fisjonsproduktene, som kjernen spaltes i, støtes fra hverandre med stor kraft, og den energi delene på denne måten får, går over til varme, som blir fjernet fra reaktoren med et kjølemiddel. I et kjernekraftverk bruker man varmen fra kjølemiddelet for å produsere damp som driver en turbin koblet til en elektrisk generator.

• Les mer om fisjon og kjernereaktor.

Den neste epoken, som kan regnes fra 1955–1965, er karakterisert ved at en rekke mindre reaktorer ble bygd og knyttet til elektrisitetsnettet. Man viste i denne perioden at kjerneenergi var fullt konkurransedyktig med kull og olje, men lønnsomhet forutsatte store reaktorer, minst 200–300 MW elektrisk effekt. Stordrift ble sett på som nødvendig fordi omkostningene til bygging og sikkerhetstiltak er store og utgiftene til brensel små, sammenlignet med forutsetningene som gjelder ved utnyttelse av olje eller gass. Derfor begynte man også å bygge kjernekraftverk med flere reaktorer samlet innen samme område.

Utviklingen foregikk stort sett i Sovjetunionen, USA og Storbritannia. I Obninsk i Sovjetunionen (Russland) ble den første reaktoren, med en elektrisk effekt på 5 MW, knyttet til elektrisitetsnettet i 1954, mens et energiverk i Trnitsk i Sibir med seks reaktorer, hver på 100 MW, ble tatt i bruk i årene 1958–1962. I Storbritannia ble verdens første store kjernekraftverk, Calder Hall, med fire reaktorer på 50 MW tatt i bruk 1956–1958. USA tok i 1962 i bruk sin første store reaktor, med en effekt på 260 MW.

I midten av 1960-årene begynte en omfattende utbyggingen av kjernekraftverk i en rekke land, der formålet var å erstatte bruk av olje og kull til elektrisitetsproduksjon. I den første fasen ledet USA og Storbritannia i utbyggingen, men de fleste vest-europeiske industriland, Canada, Japan og Sør-Korea fulgte snart etter. Tempoet for utbyggingen i Storbritannia ble redusert etter at utvinningen av gass og olje i Nordsjøen begynte i slutten av 1960-årene.

Mot slutten av 1970-årene kom kjerneenergien sterkt i søkelyset som kilde for radioaktiv forurensning av naturen og fordi den medførte produksjon av plutonium som kunne benyttes i kjernevåpen, og det oppstod organiserte folkebevegelser mot bruk av kjerneenergi. I 1979 inntraff dessuten det første kjente reaktorhavariet i Harrisburg, USA, noe som ledet til en reduksjon i utbyggingstempoet, spesielt i USA, men også i de fleste andre vestlige industriland.

Energi fra atomspaltning ble også forsøksvis brukt til fremdrift av fartøyer. Slike fartøyer drives av en dampturbin hvor kjelen varmes opp med energi fra en mindre reaktor. Den første undervannsbåt av denne typen, den amerikanske USS Nautilus, var ferdig i september 1954. Det er etter hvert bygd noen hundre slike undervannsbåter for den amerikanske, russiske, britiske og franske marinen. Disse båtene er gjerne utrustet med missiler med lang rekkevidde.

USA og Russland har også marinefartøyer (overflatefartøyer) drevet av kjerneenergi. Det første kjerneenergidrevne overflateskip var den sovjetiske isbryteren Lenin som ble sjøsatt i desember 1957. Rundt 1960 ble det bygd noen få atomdrevne lasteskip, men ingen av disse er lenger i drift.

Helsemessige problemer forbundet med utnyttelse av kjerneenergi er knyttet til faren for direkte utslipp av radioaktive stoffer fra reaktoren til luft eller avløpsvann, faren for reaktoruhell med spredning av radioaktivitet og faren for spredning av radioaktivt avfall. I samsvar med internasjonale regler fastsetter de enkelte land grenser for mengden av radioaktivt utslipp. Grensene settes så lavt at strålingen ligger langt under den naturlige bakgrunnsstrålingen som alle mennesker er utsatt for, og de direkte forurensningene fra kjernekraftverk vurderes også som små sammenlignet med miljøforurensninger fra andre varmekraftverk.

Alle kjernereaktorer er konstruert på en slik måte at de ikke kan eksplodere på samme måte som en kjernefysisk bombe. Gjennomførte beregninger viser at sannsynligheten for store reaktoruhell er minimal. Men det foreligger likevel muligheter for at reaktoren kan bli ødelagt eller springe lekk og at radioaktivitet kan bli spredt til omgivelsene.

Inntil 2020 har man totalt hatt 17 000 reaktorår på verdensbasis. Under denne driftsperioden har det skjedd tre store reaktorhavarier som har fått mye oppmerksomhet.

Ved de store reaktorhavariene i Harrisburg i USA i 1979 og Tsjernobyl i Ukraina i 1986, kunne årsakene føres tilbake til menneskelige feil i form av overtredelser av gjeldende sikkerhetsbestemmelser. I ulykken som skjedde i Fukushima kjernekraftverk var årsaken at kraftverket ikke var forberedt på at en tsunami kunne bli så stor som den Japan opplevde i 2011. For å hindre lignende ulykker legges det stor vekt på at nye kjernereaktorer konstrueres med en innebygd passiv sikkerhetsanordning, som i en nødssituasjon automatisk trer i funksjon uten å være avhengig av maskinell eller menneskelig inngripen.

Konsekvensene av kjernekraftulykker har vært et viktig tema siden de første kommersielle reaktorene ble bygd på 1950-tallet. Livsløpsanalyser viser at i et globalt perspektiv er dødsfall relatert til kjernekraftindustrien lave sammenlignet med andre kraftgenereringsformer som for eksempel kullkraft. Imidlertid har de lokale konsekvensene av enkelte kjernekraftulykker vært store, noe som har bidratt til mye av den motstand og bekymring for nukleære anlegg som finnes i befolkningen.

• Les mer om kjernekraftulykker og atomansvar.

Ved spalting av uran dannes stoffer som etter hvert forandrer kjernebrenselets, det vil si uranstavenes, egenskaper. Stavene må derfor med jevne mellomrom, som regel en gang i året, tas ut for reprosessering. De nydannede stoffene blir da fjernet. Noen av dem er teknisk sett verdifulle og blir tatt vare på, men storparten regnes som avfallsstoffer. De er til dels sterkt radioaktive, og en del av dem har en halveringstid på flere årtier. Andre deler av avfallet kan ha en halveringstid på flere tusen år og må derfor skjermes fra omgivelsene i opptil 100 000 år. Det antas at lagring i stabilt og tørt grunnfjell vil være mest betryggende.

• Les mer om opparbeiding og sluttforvaring.