Atomy pierwiastków zbudowane są z jąder atomowych oraz znajdujących się na powłokach elektronowych elektronów. Jądra atomowe pierwiastków zbudowane są z protonów i neutronów, które noszą wspólną nazwę nukleonów. W jądrach atomowych następuje wzrost energii wiązania przypadającej na jeden nukleon wraz ze zwiększaniem się liczby masowej czyli liczby nukleonów aż do wartości około 50. Im większa jest liczba nukleonów w jądrze z tym większą siłą są przyciągane. Jednak po przekroczeniu tej wartości energia wiązania będzie malała. Dzieje się tak ze względu na to, że siły jądrowe są siłami krótkiego zasięgu.

Ponieważ wzrostowi liczby nukleonów w jądrach towarzyszy wzrost objętości tych jąder dlatego dochodzi do słabnięcia oddziaływań między nukleonami położonymi dalej. Równocześnie wraz ze wzrostem liczby atomowej następuje wzrost stosunku liczby neutronów do liczby protonów w jądrach atomowych. Konsekwencja tego jest fakt, że ciężkie izotopy promieniotwórcze chętnie pozbywają się części swoich jąder emitując promieniowanie alfa. Jądra takich ciężkich izotopów charakteryzują się więc zmniejszoną trwałością.

Za miarę energii wiązania służy tzw. defekt masy. Jest to różnica pomiędzy sumą mas składników budujących dane jądro a rzeczywistą masa tego jądra. Ubytek masy zostaje bowiem zamieniony na energię zgodnie ze wzorem Einsteina. Dla ciężkich izotopów defekt masy ulega zmniejszeniu wraz ze zwiększaniem się liczby masowej. Tak więc gdy do jądra ciężkiego izotopu dochodzi jeszcze jeden neutron korzystniejsze wydaje się istnienie dwóch jąder lżejszych o zbliżonym stosunku protonów do neutronów niż istnienie tego ciężkiego jądra z nadmiarowymi neutronami.

Z tego względu wśród jąder ciężkich izotopów panuje tendencja do rozszczepiania się na mniejsze fragmenty. Zjawisku rozszczepienia jąder ciężkich towarzyszy wydzielanie się energii, która jest równa defektowi masy. Po raz pierwszy takie rozszczepienie przeprowadzili Hahn i Strassman w roku 1939.

Podczas podziału jądra na mniejsze fragmenty wydzielają się nadmiarowe neutrony . Z pojedynczego aktu rozszczepienia powstaje zwykle od 2-3 neutronów. W procesie rozszczepienia np. jąder uranu 235 otrzymuje się produkty o różnych liczbach masowych. Przy czym zdecydowanie najwięcej powstających jąder ma liczby masowe około 95 i 140.

Prawie 85 % wydzielonej w procesie rozszczepienia energii stanowi energię kinetyczną obu powstających w reakcji produktów. Tylko niespełna 12 % to energia wydzielona w postaci promieniowania.

Te neutrony, które uwalniają się w procesie rozszczepienia powodują kolejne reakcje jądrowe. I właśnie w taki sposób powstaje jądrowa reakcja łańcuchowa. Jest to proces samopodtrzymujący się, jeśli tylko tego izotopu będzie wystarczająca ilość .Proces ten można kontrolować, pod warunkiem ,że liczba rozszczepień zachodząca w danej jednostce czasu utrzymuje się na stałym poziomie. Reakcje rozszczepienia wykorzystywane są w reaktorach jądrowych.

Jako paliwo w reaktorach jądrowych wykorzystuje się naturalne izotopy promieniotwórcze. Głównie jest to izotop uranu 235 lub 233 oraz izotop plutonu 239. Paliwo to dostarczane jest do reaktora w postaci prętów paliwowych. Maja one postać specjalnych pojemników wykonanych w kształcie prętów. W ich wnętrzu znajdują się kostki lub walce zawierające paliwo jądrowe. Konstrukcja takich prętów paliwowych uzależniona jest bezpośrednio od typu reaktora jądrowego.

Jak już wcześniej zostało wspomniane, jeśli masa tego paliwa będzie wystarczająca to rozpad niektórych jąder będzie w stanie zapoczątkować kolejne rozpady i proces sam będzie się napędzał. W reaktorach jądrowych zachodzi jednak konieczność stałej kontroli reakcji rozszczepienia. Robi się to po to, aby zapobiec zbyt szybkiemu tempu reakcji co mogłoby doprowadzić do wybuchu. Kontroli można dokonywać przez regulowanie liczby powstających neutronów. W celu wychwytywania nadmiaru neutronów w reaktorach stosuje się pręty kadmowe lub borowe.

Do kontroli reakcji jądrowych służą również inne substancje, zwane moderatorami. Powodują one spowalnianie neutronów, czyli zmniejszają ich energię kinetyczną do momentu aż neutrony staną się neutronami termicznymi. Jest to konieczne, ponieważ neutrony prędkie charakteryzują się mniejszą efektywnością jeśli chodzi o reakcje jądrowe. Dzieje się tak dlatego ponieważ przelatują przez jądro ze zbyt dużą prędkością i jądro nie zdąży ich wychwycić. Moderator musi charakteryzować się dużym przekrojem czynnym na rozpraszanie neutronów, a mały na ich pochłanianie. Do tego celu może służyć woda lub bloki grafitowe oraz beryl i dwufenyl. Jako moderator wykorzystuje się też tzw. ciężką wodę czyli wodę wzbogaconą w izotop wodoru - deuter.

W reaktorach zachodzi również konieczność stałego ich chłodzenia. Chłodziwo takie znajduje się w wymiennikach ciepła i powoduje ogrzewanie wody w drugim obiegu. Dzięki temu dochodzi do wytwarzania pary, która stanowi napęd turbiny. Jeżeli moderatorem jest woda lub ciężka woda to pełnia one rolę zarówno spowalniacza jak i cieczy chłodzącej. Inne wykorzystywane chłodziwa to powietrze, hel, wodór lub ciekłe metale.

Jednym z rodzajów reaktora jądrowego jest tzw. reaktor prędki. Paliwem w tym reaktorze jest pluton 239, który jest otrzymywany bezpośrednio w reaktorze. Zachodzi w nim bowiem produkcja neutronów prędkich, które doprowadzają do pobudzenia reakcji rozszczepienia uranu 238. Niektóre z takich neutronów są przechwytywane przez inne atomy uranu i dochodzi do przekształcenia się ich w atomy plutonu 239. Zachodzi więc wytwarzanie większej ilości plutonu, niż jest potrzebny w procesie. Ten nadmiar wykorzystywany jest w produkcji broni jądrowej. Ten typ reaktora nazywa się również reaktorem powielającym.

Innym rodzajem reaktora jest reaktor zwany wysokotemperaturowym. Paliwem dla takiego reaktora oprócz zwyczajowo stosowanego uranu jest także izotop toru 232. Atomy toru pochłaniają neutrony i przekształcają się w atomy uranu 233. Paliwo jądrowe wykorzystywane w tym reaktorze ma trochę inną postać niż w reaktorach tradycyjnych. Mianowicie są to małe kuleczki umieszczone w większych kulkach grafitowych. Jak w każdym reaktorze grafit pełni funkcję moderatora. Energia cieplna powstała podczas pracy reaktora powoduje ogrzanie gazu do wysokiej temperatury. Gazem tym może być np. hel. Ogrzany gaz powoduje z kolei parowanie wody, która stanowi napęd turbiny.

Ponieważ praca każdego reaktora wiąże się z koniecznością budowy skomplikowanego systemu instalacji jak również ochrony i zabezpieczeń dlatego też koszty uzyskiwania energii w elektrowniach atomowych są dużo większe niż w przypadku tradycyjnej elektrowni. Cały proces podraża jeszcze konieczność utylizacji i składowania odpadów promieniotwórczych, które powstają jako produkty uboczne w reakcjach. Mimo tego jednak na dłuższa skalę taki sposób uzyskiwania energii okazuje się dużo ekonomiczniejszy.