两个较轻的原子(质量数大致小于16)聚合成一个较重的原子核，同时放出大量的能量，这种核反应叫聚变反应。它是获得原子能的重要途径之一。一升的海水约含有0.03克的氘，通过核聚变反应能产生相当于300升汽油燃烧所放出的能量。由于原子核间有很强的静电斥力，核聚变反应必须在几千万摄氏度至上亿摄氏度的高温下才能发生。太阳和一些恒星内部温度很高，原子核有足够在的动能克服核间静电斥力而发生聚变反应。太阳里发生的持续的核聚变反应，源源不断地给我们提供光和热。

一个重的原子核分裂成两个质量略为不同的较轻的原子核，同时放出大量能量，这种反应叫做裂变反应。裂变有自发裂变和受激裂变反应两种。自发裂变是原子核不稳性的一种表现形式，天然同位素自发裂变半衰期都很长，如铀-238约为1016年;一些原子核比铀原子核重的同位素(超铀核素)自发裂变半衰期相对较短，如锎-252只有85.5年。重原子核受到其他粒子(中子、带电粒子、光子)轰击时分裂成两个质量略为不同的较轻原子核，叫受激裂变。1947年，我国科学家钱三强、何泽慧首先观察到中子轰击铀裂变时，铀核也有分裂成三块或四块的情况。但这种现象是非常稀少的。三分裂和四分裂相对于二分裂之比分别为3：1000和3：10000。重核裂变时释放出大量的能量，是获得原子能重要途径之一。1公斤铀-235完全裂变释放出的能量相当于两万吨TNT炸药爆炸时释放的能量，也相当于2700吨标准煤完全燃烧释放出的能量。重核裂变反应释放的大量能量已在核电站中得到充分应用。

爱因斯坦1905年在提出相对论时指出，物质的质量和能量是同一事物的两种不同形式，质量可以消失，但同时会产生能量。1938年，德国科学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在居里夫人实验的基础上，发现了核裂变现象：当中子撞击铀原子核时，一个铀核吸收了一个中子，分裂成两个较轻的原子核，在这个过程中质量发生亏损，因而放出很大的能量，并产生两个或三个新的中子，这就是核裂变反应。

1946年，在法国居里实验室工作的中国科学家钱三强、何泽慧夫妇发现了铀核的"三裂变"、"四裂变"现象，即铀原子核在中子的作用下，除了可以分裂为两个较轻的原子核外，还可以分裂为三个甚至四个更轻的原子核。只有铀-223、铀-235和钚-239这三种材料的原子核可以由"热中子"引起核裂变，因此它们被称为易裂材料。其中只有铀-235存在于 界，铀-233、钚-239分别是由自然界中的钍-232、铀-238吸收中子后生成的。而在天然铀中，铀-235仅占0.7%，其余的99.3%几乎都是铀-238。

链式裂变反应释放的核能叫做核裂变能。这种20世纪出现的新能源，目前已占人类总能源消费量的6%。核能的和平利用，对于缓解能源短缺、减轻环境污染都具有重要意义。但是，核裂变产生的核废料、核电站能否安全运转，都引起人们的忧虑。如果利用轻原子核的聚变反应产生的核聚变能够得到工业应用，那么人类将从根本上解决能源需求的问题。

核聚变能是两个轻原子核结合在一起时，由于发生质量亏损而放出的能量。核聚变的原料是海水中的氘(重氢)。早在1934年，物理学家卢瑟福、奥利芬特和哈尔特克已在静电加速器上用氘-氘反应制取了氚(超重氢)，首次实现了聚变反应。海水里的氘只占0.015%，但由于地球上有大量海水，每升海水中所含的氘通过核聚变反应产生相当于300升汽油燃烧所放出的能量，因此可以利用的核聚变材料是极为丰富的。据估计，海水中的氘通过核聚变释放的聚变能可供人类在高消费水平的基础上使用50亿年。有关科学家们正在积极研究、一些国家政府也大力支持开发丰富而清洁的核聚变能。

美国广播公司1999年4月12日播发的一篇题为《为聚变开拓未来》的消息说：使用美国最新建成的试验核反应堆的科学家们认为，他们为21世纪开发一种安全而又取之不尽的能源--聚变能- -而进行的努力取得了进展。建在美国中部新泽西州郊区普林斯顿大学等离子体物理实验室的"国家球形核聚变实验装置(NSTX)" ，使支持提供聚变能研究经费的官员们和参与此项全国性合作项目的物理学家和工程师们惊叹不已。能源部长理查森说："NSTX是有关这项技术具有潜力的最佳例证。它缩短了我们与实际应用聚变能之间的距离。"日本从20世纪70年代开始进行核聚变研究，目前已研究开发出五种核聚变反应方式。中国也十分重视核能的开发利用，主要研制开发快中子堆、高温气冷堆和聚变-裂变混合堆三种先进反应堆。