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原子核的直径只有一根头发丝的一亿分之一，却蕴藏着惊人的能量。一克铀-235裂变释放的能量相当于2.7吨煤完全燃烧产生的能量。从发现衰变到掌握原子能（atomic energy），是20世纪科学史上的重要一页。
20世纪上半叶，科学家们发现铀-235原子核在吸收一个中子以后能分裂，同时放出2-3个中子和大量的能量，放出的能量比化学反应中释放出的能量大得多，这就是核裂变能，亦即核能（nuclear energy）。
核能的获得主要有两种途径，即重核裂变与轻核聚变。铀-235，有一个特性，即当一个中子轰击它的原子核时，它能分裂成两个质量较小的原子核，同时产生2-3个中子和β射线、γ射线等射线，并释放出约200兆电子伏特的能量。如果有一个新产生的中子，再去轰击另一个铀-235原子核，便引起新的裂变；以此类推，这样就使裂变反应不断地持续下去，这就是裂变链式反应。在链式反应中，核能就连续不断地释放出来。当时数十年中，对裂变现象的研究，始终是核物理的一个活跃的分支。主要原因是：其一，裂变有着重大的实用价值；其二，裂变是一个极复杂的核过程，研究这一过程有助于原子核物理学的发展。
在裂变发现后，科学家很快就清楚地发现，裂变时不但释放出巨大的能量，而且同时还发射出几个中子。既然中子能引起裂变，裂变又产生更多的中子，因此可以通过链式反应在宏观尺度上使原子核释放出能量来。这就找到了大规模利用核能的途径。原子弹就是利用原子核裂变放出的能量起杀伤破坏作用，而核电反应堆也是利用这一原理获取能量。核电站和原子弹是核裂变能的两大应用，两者机制上的差异主要在于链式反应速度是否受到控制。核电站的关键设备是核反应堆，它相当于火电站的锅炉，受控的链式反应就在这里进行。核反应堆有多种类型。除了巨大的核能在军事和能源方面的实际应用之外，随着反应堆的建立，放射性同位素开始大规模生产并广泛应用于工、农、医等各部门。
核能经技术证实属于仅有的两大非化石能源之一（另一个是水电），对世界的能源供给具有非常重要的意义。第二次世界大战以来，原子核科学技术发展迅速，在各个领域得到了广泛的应用，成为20世纪人类最辉煌的成就之一。
核能和平利用的主要方式是利用核裂变能与核聚变能兴建核电站。核电站是利用核分裂（Nuclear Fission）或核融合（Nuclear Fusion）反应所释放的能量产生电能的发电厂。核电站是一种高能量、少耗料的电站。商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电。
能源是人类生存和经济社会发展的重要物质基础。工业革命以来，世界能源消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速
，生态环境不断恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。开发利用新型的核能源，是人类生存和社会发展的必然趋势。
进入21世纪以来，随着各国经济的迅速发展、能源需求的空前旺盛以及环境保护问题的日益突出，发展清洁高效的核电迎来了新的历史机遇。