20世纪30年代，物理学家的一项重大发现改变了人类历史。当原子核“分裂或聚合”时，会释放出惊人的能量。
核裂变的发现
1938年底，德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼在用中子轰击轴心的实验中，发现产物中有原子序数为56的钡。奥地利物理学家迈特纳兹和弗里希是这样解释的：铀核被中子轰击后分裂成质量相近的两块(如图)。
借用弗里希的细胞分裂的生物学术语，这种核反应被命名为核裂变。
铀裂变的产物多种多样。典型的铀裂变是形成钡和氪(铀236是中间过程，不稳定)，同时释放三个中子。核反应方程式是
U+nBa+Kr+3n
裂变释放的中子数量或多或少，中子的速度或快或慢。以铀235为例。核裂变过程中会产生两到三个中子。如果这些中子继续与其他铀-235反应，然后引起新的核裂变，核裂变反应就可以继续进行(如图)。
重核裂变产生的中子将核裂变反应一代代延续下去的过程，称为核裂变的链式反应。
铀块的大小是链式反应的一个重要因素。原子核的体积很小，原子内部的空隙很大。如果铀块不够大，中子穿过铀块，很可能不会碰到铀芯，跑到轴块外面，连锁反应就不会继续。只有铀块足够大，核裂变产生的中子才有足够大的概率击中一个铀核，使连锁反应进行下去。通常，能发生链式反应的核裂变物质的最小体积称为其临界体积，相应的质量称为临界质量。
1947年，中国科学家钱三强和何在实验中发现，铀核可能分裂成三、四部分，分裂成两部分的概率约为1/300和1/5000。这一研究成果得到了广泛的认可和好评。铀裂变的产物不一样，释放的能量就不一样。如果一个铀235核裂变释放的能量估计为200MeV，那么1kg铀235全部裂变释放的能量相当于2800t标准煤完全燃烧释放的化学能！
1t标准煤燃烧时放出2.93100J的热量。
反应堆和核电站
原子核的链式反应也可以在人工控制下进行。这样释放出来的核能就可以为人类的和平建设服务。实际上，在第一颗原子弹制造出来之前，科学家们就已经实现了核能的可控释放。1942年，意大利裔美国物理学家费米主持建立了世界上第一个被称为“核反应堆”的装置，首次通过可控的链式反应实现了核能的释放。
图为目前广泛使用的“热中子(慢中子)”核反应堆示意图。
实际上，中子的速度不能太快，否则它会“路过”轴235，铀芯无法“抓住”它，所以核裂变不可能发生。实验证明，速度与热运动速度相等的中子最适合引发核裂变。这种中子是“热中子”，或慢中子。但是核裂变产生的是高速的快中子，要尽量让快中子慢下来。因此，应该在铀棒周围放置一个“慢化剂”。快中子在慢化剂中与原子核碰撞后，中子能量降低，变成慢中子。常用的慢化剂有石墨、重水和普通水(也叫轻水)。
为了调整中子的数量来控制反应速率，需要在铀棒之间插入一些镉棒。镉有很强的吸收中子的能力。当反应太激烈时，把镉棒插得更深，让它吸收更多的中子，链式反应就会慢一些。这种镉棒叫做控制棒。
热反应堆的核燃料是铀棒，成分是天然铀或浓缩铀(铀235的含量占2% ~ 4%)。
核燃料核裂变释放的能量使反应区的温度升高。液体
重水是由两个氘原子和一个氧原子形成的化合物。其化学性质与普通水相同，但分子量比普通水大。
如图所示，
反应堆释放的热量把水变成蒸汽，这些高温高压的蒸汽驱动涡轮发电机发电。这部分的工作方式与热电站相同。
第一回路的水被泵入反应堆，核反应在通过反应堆堆芯过程中释放的热量增加了水的内能，提高了水温。进入热交换器后，热量被传递到第一个反应器。
二回路的水，然后又被泵压回反应堆里。在热交换器内，第二回路中的水被加热生成高温高压蒸汽，驱动汽轮机运转。
在核电站中，只要“烧”掉一支铅笔那么多的核燃料，释放的能量就相当于10t标准煤完全燃烧放出的热。一座百万千瓦级的核电站，每年只消耗30t左右的浓缩轴，而同样功率的火电站，每年要烧煤2.5×10t！
建造核电站时需要特别注意防止放射线和放射性物质的泄漏，以避免射线对人体的伤害和放射性物质对水源、空气和工作场所造成放射性污染。为此，在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线。核反应堆中的核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，深埋地下。
核聚变
两个轻核结合成质量较大的核，这样的核反应叫作核聚变（nuclear fusion）。如图，
一个氘核与一个氚核聚合成一个氦核的同时放出一个中子，释放17.6MeV的能量，平均每个核子放出的能量在3MeV以上，比核裂变反应中平均每个核子放出的能量大3～4倍。这时的核反应方程是
有一种办法，就是把它们加热到很高的温度。当物质的温度达到几百万开尔文时，剧烈的热运动使得一部分原子核具有足够的动能，可以克服库仑斥力，碰撞时十分接近，发生核聚变。因此，核聚变又叫热核反应。热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就会使反应继续下去。
实际上，热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆（图）。
太阳的主要成分是氢。太阳的中心温度达1.6×10K。在这样的高温下，氢核聚变成氨核的反应不停地进行着，不断地放出能量。太阳每秒辐射出的能量约为3.8×10J，相当于1000亿亿吨。
煤燃烧所放出的能量，其中20亿分之一左右的能量被地球接收。现在地球上消耗的能量，追根溯源，绝大部分还是来自太阳，即太阳内部核聚变时释放的核能。
太阳在“核燃烧”的过程中“体重”不断减轻。它每秒有7亿吨原子核参与反应。科学家估计，太阳的这种“核燃烧”还能维持几十亿年。当然，与人类历史相比，这个时间很长很长！太阳的寿命已经有50亿年了。
目前，人工产生的热核反应主要用在核武器上，那就是氢弹。氢弹原理如图所示，
首先由化学炸药引爆原子弹，再由原子弹爆炸产生的高温高压引发热核爆炸。
此外，人们也一直在努力尝试实现可控的人工核聚变，进而利用核聚变中的能源。与核裂变相比，核聚变有很多优点。第一，轻核聚变产能效率高，也就是说，相同质量的核燃料，反应中产生的能量比较多。第二，地球上核聚变燃料氘和氚储量丰富。第三，轻核聚变更为安全、清洁。
然而，核聚变需要的温度太高，地球上没有任何容器能够经受如此高的温度。这构成了实现可控核聚变的主要困难。为了解决这个难题，科学家设想了两种方案，即磁约束和惯性约束。
磁约束带电粒子运动时，在匀强磁场中会由于洛伦兹力的作用而不飞散，因此有可能利用磁场来约束参加反应的物质，这就是磁约束。如图，
环流器（即tokamak，音译为托卡马克）是目前性能最好的一种磁约束装置。图
是中国科学院的环流器装置EAST。
惯性约束利用核聚变物质的惯性进行约束。在惯性约束下，可以用高能量密度的激光或X射线从各个方向照射参加反应物质，使它们“挤”在一起发生反应。由于核聚变反应的时间非常短，被“挤”在一起的核聚变物质因自身的惯性还来不及扩散就完成了核反应（图）。
在我国，中国工程物理研究院等单位建造了“神光Ⅲ”激光约束核聚变研究装置。总的来说，实现受控核聚变还有一段很长的路要走。
