由于原子核的变化而释放的巨大能量叫做核能，也叫原子能。释放核能有重原子核裂变和轻原子核聚变两条途径。核裂变能是通过一些重核发生(链式)裂变反应释放出的能量；核聚变能是由两个轻核结合在一起释放出的能量。迄今达到工业应用规模的核能是核裂变能，所用的重核元素主要是铀、钚等。
用中子轰击铀-235原子核，它会分裂成2个或3个较轻的原子核，同时放出2个或3个中子，并释放出巨大的能量。核裂变放出的中子有三条出路（1）飞走；（2）被无效吸收，不引起新的裂变；（3）被轴-235原子核吸收引起新的裂变。如果第三条出路的中子是1，裂变反应就会继续下去，称为"链式反应"。如果大于1，反应就越来越强，如果小于1，反应就越来越弱。
核能除了在核电站，核潜艇与动力航空母舰、核医学、治理污染方面的应用，同时，还广泛应用在工业、农业、基础学科、生命科学以及其他学科的研究中。自1945年人类利用核能发电以来，核技术已日趋成熟，核电在各种能源中已具备很强的经济竞争力。
核电站利用原子核内部蕴藏的能量大规模生产电力的新型发电站。它大体上可分为三部分：一部分是利用核能产生蒸汽的核岛，包括核反应堆和一回路系统；一部分是利用蒸汽发电的常规岛，包括汽轮发电机系统；另一部分是储存乏燃料的厂房。目前世界上核电站采用的反应堆有压水堆、沸水堆、重水堆、快中子增殖堆以及高温气冷堆等。
核电是技术上已较成熟且能大规模经济开发使用并提供稳定电力的清洁能源。
核电已日益成为当今世界的主要能源之一，在所有能源中所占的比例也越来越大。没有核电，全世界16%的用电设备将无电可用。
核电与水电、火电一起构成世界电力的三大支柱。
核反应堆的燃料是低浓铀（低铀235含量），而原子弹用的是高浓铀（高铀235含量），低浓铀没有条件产生原子弹式的爆炸。虽然核弹和核反应堆都是以铀为原料，但两者对铀235"纯度"的要求完全不同，从地下挖出来的天然铀含99.3%的铀238和只有0.7%的铀235，而只有后者是能够发生链式反应的铀。生产核弹时，需要付出昂贵的代价去除杂质铀238，要求235的纯度在90%以上，而反应中一般只需要3%左右提纯的铀235，正如烈度白酒可以点燃的道理一样，反应堆即使失控，也不会像原子弹那样爆炸。
煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧排放大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和飘尘等造成大气污染，而核电站使用核燃不排放这些有害物质。当然核电厂有放射性物质排放，但通过专门的设施和三废治理方法，核电站的放射性排放都低于国家排放规定。
一座百万千瓦级的核电机组运行一年与相同功率的火电机组相比可减少产生约2.5万吨二氧化硫、1.5万吨氮氧化物和超过600万吨二氧化碳排放物。而且核电的发电成本在一些国家已低于火电。一座百万千瓦级的火电站一年燃煤标准约300万吨，每天都要一列40节车厢的火车运送，而一座相同功率的核电站一年仅消耗核燃料约30吨，一年所需的燃料只要一辆重卡即可。
核燃料是铀矿石经过开采、初加工、铀转化、铀浓缩，加工成核燃料原件。核燃料在核反应堆内一般使用三年，三年后，由于核燃料组件外形有些变化，而且铀-235已大量消耗，因此要卸出反应堆。目前，核电站每12-18个月要卸料1/3（约25吨），并同时装入同样数量的新燃料组件。
核电站运行过程当中，对环境影响的因素主要有三个方面：一是放射性，二是废热排放，三是化学物质。后两种排放和普通火电厂相似，而在废气排放方面，核电站不存在化学物质的污染问题。核电站在投入正常营运时，进入废气，废液和固体废物中的放射性物质只是极少一部分。核电站设有完善的三废处理系统，可对放射性废物实行有效的处理。在核电站周围还设置许多监测点，定期采集空气、水样、土样和植物样品进行分析，监督放射性对环境的污染。我国秦山核电厂运行以来，没有造成任何周围环境放射性影响。