Fission och fusion är olika typer av kärnreaktioner där energi frigörs från de kraftfulla bindningarna mellan partiklar i atomkärnan. Atomkärnan är som mest stabil när bindningsenergierna mellan partiklar är starkast. Detta sker med järn och nickel. För lättare atomkärnor kan energi utvinnas genom att kombinera dessa kärnor, en process som kallas kärnfusion. För kärnor som är tyngre än de av järn eller nickel kan energi utvinnas genom att dela dem isär i en process som kallas kärnklyvning.
Eftersom den bindande kraften i atomkärnan innehåller enorm energi kan kärnreaktioner i princip ge massor av kraft. Praktiska överväganden gör dock att utnyttja kärnkraften svårare än något så enkelt som att starta en brand. För klyvning måste högrenat råmaterial, vanligtvis uran- eller plutoniumisotoper, användas. Isotoper gynnas eftersom deras instabilitet gör dem lättare att bryta isär. Reningen av dessa isotoper är extremt dyr och kräver centrifuger för flera miljoner dollar.
Vid fusion måste en extremt hög tröskelenergi uppnås för att kombinera atomkärnor, och temperaturen som krävs är i miljontals grader. I naturen är den enda platsen där detta inträffar i kärnan av en stjärna. Överhettad plasma och fokusering av laserkraft är två metoder för att uppnå denna tröskelenergi. Eftersom materien som fungerar som fusionsmedium måste vara så varm, måste den isoleras från omgivande materia med hjälp av kraftfulla magnetfält eller tröghetsinneslutning, vilket är principen bakom Tokamak-reaktorn. Ändå kräver fusion så mycket energi att ingen ännu har byggt en reaktor som producerar mer än den förbrukar.
Nackdelarna med fissionskraft inkluderar både radioaktiva biprodukter och dess koppling till kärnvapen och härdsmältningar. Under det senaste decenniet eller så har kärnfysiker utvecklat säkrare sätt att bygga reaktorer, inklusive metoder för att återvinna de radioaktiva biprodukterna. Dessa framsteg har fått den amerikanska regeringen att börja förespråka byggandet av kärnreaktorer igen.