自从20世纪初爱因斯坦首次提出了质能公式E=mc2之后，如何利用原子核储存的能量就成为人类梦寐以求的目标。首先实现的是重核裂变。重核裂变是指由铀或钚等较重的（原子序数较大的）原子分裂成较轻的（原子序数较小的）原子的一种核反应形式。原子弹及核电站的能量来源都是核裂变。重核原子经中子撞击后，分裂成为两个较轻的原子，同时释放出数个中子。释放出的中子再去撞击其他的重核原子，从而形成链式反应而自发分裂。原子核裂变时除放出中子还会放出热，核电厂用以发电的能量即来源于此。

1千克铀-235裂变放出的能量相当于2700吨标准煤燃烧放出的能量。一座100万千瓦的燃煤发电厂需要每年1000列火车运来大约350万吨的煤炭，并产生40万吨煤渣，而同样功率的核电站只需要30吨的低浓度铀就够了，优势显而易见。目前世界上有33个国家和地区有核电站，发电量占全世界的17%以上。

核能发电应用中所使用的核燃料，铀-235的含量通常很低，只有3%～5%，因此不会产生核爆。但核电厂仍需要对反应堆中的中子数量加以控制，即可控核裂变，以防止功率过高造成堆芯熔毁的事故。通常会在反应堆的慢化剂中添加硼，并使用控制棒吸收燃料棒中的中子以控制核裂变速度。

目前世界上在积极研制的快中子反应堆和加速器驱动的次临界反应堆系统，不仅可使核燃料的利用率从目前的百分之几提高到百分之六七十，从而获得更多能量，而且还可以原来核电站产生的核废料为原料，变废为宝，能使核废料中的放射性大大降低。