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核能的开发和利用是20世纪出现的最重要的高新技术之一。
核能是由原子核发生反应而释放出来的巨大能量。与化学反应和一般的物理变化不同，在核能生成的过程中，原子核发生变化，由一种原子变成了其他原子。核能可分为两种，一种是核裂变能，另一种是核聚变能。
核裂变反应是由较重原子核分裂成为较轻原子核的反应。例如，一个铀-235
原子核在中子的轰击下可裂变成两个较轻的原子核。
1 kg铀 235裂变时可放出8.32×10 13 J的能量，相当于2 000 t汽油或者2 800 t煤燃烧时释放出来的能量。
氢有三种同位素，氕（ 11 H），符号为H，质量数为1，是氢的主要成分；氘（1 2 H，又称为重氢），符号为D，质量数为2，可用于热核反应；氚（1 3 H，又称超重氢），符号为T，质量数为3，可用于热核反应。
核聚变反应是由较轻原子核聚合成为较重原子核的反应。例如，氘和氚的原子核结合在一起生成氦核，这个过程可以释放出核聚变能。
1 kg氘聚变时放出的能量为3.5×10 14 J，相当于4k铀。如果能实现可控核聚变，则一桶水中含有的聚变燃料就相当于300桶汽油。不过，目前核聚变的利用技术还在开发过程中，预计到2050年前后才能实现大规模商业化应用。
在燃用化石燃料的火电站中，化石燃料在锅炉中燃烧时，燃料中的碳原子和空气中的氧原子结合并放出能量，这种能量称为化学能。化学能是由于原子结合和分离使电子的位置和运动发生变化而产生的，与原子核无关。原子由原子核和电子组成；原子核又由质子和中子组成，两者统称为核子。如果设法使原子核发生分离或结合（裂变或聚合），使核子之间强大的吸引力释放出来，则同样能放出巨大的能量，这种能量称之为核能。1938年德国科学家奥托·哈恩用中子轰击铀原子核，发现重原子核的裂变现象。当中子以一定速度与重原子核（如铀-235）碰撞并被其吸收后，后者会出现不稳定并分裂成两片，同时产生2~3个中子并放出热量。这些中子又去轰击其他铀核使其裂变并产生更多中子和热量，这种连续不断的核裂变过程称为链式反应。显然，只要控制中子数的多少就能控制链式反应的强度。常用方法为利用善于吸收中子的材料制成的控制棒的位置变化来控制链式反应的中子数目。此外，中子的速度是非常快的，必须应用慢速剂将其降速后才能使重原子核裂变。通常将能实现大规模可控核裂变链式反应的装置称为核反应堆，其中一般装有核燃料棒、控制棒、慢速剂及将热量带出的冷却剂。在火电站中，化石燃料在锅炉中燃烧产生的热量使水产生蒸汽并推动汽轮发电机组发电。在核电站中，核反应堆内核燃料持续裂变产生的热量使水等冷却工质产生蒸汽推动汽轮发电机组发电。因而在早先的锅炉书籍中也将反应堆及产生蒸汽的蒸汽发生器统称为原子锅炉，这两种电站除热量来源不同外，其余工作原理基本上是类似的。
1942年12月2日，在英国芝加哥大学原阿隆·史塔哥（Alonzo Stagg）运动场西看台下面的网球厅内，以著名意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi，1901—1954）领导的研究小组首次在“芝加哥一号”（Chicago Pile -1，CP -1）核反应堆内实现了人工自持核裂变链式反应，达到了运行临界状态，实现了受控核能释放。当时正处于第二次世界大战期间，核能主要为军用服务，配合原子弹的研制。美国、苏联、英国和法国先后建成了一批钚生产堆，随后开发了潜艇推进动力堆。在第二次世界大战末期，美国就用铀235和钚制造了三颗原子弹，分别起名为“小男孩”“胖子”和“瘦子”，并使用其中的两颗，于1945年8月6日和9日轰炸了口本的广岛、长崎，使这两座城市在大火和疾风中化为废墟，显示了原子反应的巨大威力：原子弹爆炸是用中子轰击铀235的原子核、使其产生裂变。原子核裂变放出的能量很大，1 kg铀235全部裂变释放的能量相当于2万吨TNT炸药爆炸时放出的能量。
核武器带给人类的是沉重的阴影，以至于很多人谈核色变，有良知的科学家们都在极力反对核武器的发展和扩散。但是，核能发电给人类带来的却是绿色和光明。
从20世纪50年代开始，核能从军用向民用发展。在2004年，全世界核电发电总量2.6万亿kW·h，占当年全世界发电总量的16%，美国、英国、法国、德国、日本等发达国家核电的比例都超过了20%，其中法国高达78%。截至2006年1月，全世界30个国家和地区共有443台核电机组在运行，总装机容量约为370 GW。核电站的种类也从原始的石墨水冷反应堆发展到以普通水、重水、沸水、加压沸水为慢化剂的轻水堆、重水堆、沸水堆和先进沸水堆等；同时还有700多座用于舰船的浮动核动力堆、600多座研究用反应堆。日前来看，核能发电不仅十分安全，也比较清洁、经济。一座100万kW的火电厂，一年要烧270万—300万吨煤，排放出600万吨二氧化碳、约5万吨二氧化硫和氮氧化物，以及30万吨煤渣和数十吨有害废金属。而一座100万kW的核电站，一年只消耗30吨核燃料，而且不排放任何有害气体和其他金属废料。同时，煤炭和原油还是不可再生的宝贵化工原料，发展核电不仅可以把这些资源节省下来留给子孙后代，还能有效改善人类的生存环境。
我们如今面临着使用化石燃料带来的环境问题，而核能作为一种安全清洁能源，有助于突破能源、交通、环保瓶颈，是今后—段时期内能够切实解决能源稀缺问题的希望。核能是一次能源的重要组成部分，核电在能源价格上有优势，而且更稳定，因此它是除化石燃料之外能够提供大规模电力的清洁能源。只有核电可在短期内实现安全又经济的大规模工业化发电。我国目前完全掌握了核电技术，已建成了多座核电站，具有大量核电人才，按照国家发展规划，2020 年核电发电量将达 1 800 万kW·h左右，核电实现总装机容量要超过7 000万kW，发电量占全国发电总量的4%~6%。因此中国核电已经进入了快速发展之路，即将成为核电大国。