Năng lượng hạt nhân là việc sử dụng phản ứng phân hạch hạt nhân được duy trì liên tục để sản sinh ra nhiệt sử dụng cho các mục đích hữu ích. Các nhà máy điện hạt nhân, tàu thủy và tàu ngầm hải quân sử dụng năng lượng hạt nhân có kiểm soát để đun sôi nước và tạo ra hơi, bên cạnh đó trong vũ trụ năng lượng hạt nhân phân rã tự nhiên từ một nguồn phát sinh nhiệt điện đồng vị phóng xạ.

Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay để tạo ra năng lượng là phân hạch hạt nhân, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ. Các nhà khoa học đang thử nghiệm năng lượng tổng hợp cho thế hệ tương lai, nhưng những thử nghiệm này cho đến nay vẫn chưa sản sinh ra được năng lượng hữu ích.

Vào thời điểm năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 6,3% năng lượng thế giới và 15% lượng điện của thế giới, với Hoa Kỳ, Pháp và Nhật Bản gộp lại chiếm tới 56,5% lượng điện hạt nhân được sản xuất ra. Trong năm 2007, theo báo cáo của IAEA (Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế) cho biết, cả thế giới có 439 lò phản ứng hạt nhân hoạt động tại 31 quốc gia.

Vào thời điểm tháng 12 năm 2009, thế giới có 436 lò hoạt động. Theo số liệu được cập nhật đến tháng 2 năm 2011 của WNA (Hiệp hội hạt nhân thế giới) cho biết, cả thế giới có 56 lò phản ứng hạt nhân phục vụ nghiên cứu dân sự, 440 lò phản ứng thương mại hoạt động tại 30 quốc gia với tổng công suất lắp đặt đạt trên 377.000 MWe.

Có hơn 60 lò phản ứng hạt nhân đang trong quá trình xây dựng tương đương 17% công suất hiện tại, hơn 150 lò đang được lên kế hoạch tương đương 46% công suất hiện tại.

Hoa Kỳ là nước sản xuất nhiều năng lượng hạt nhân nhất, với năng lượng hạt nhân đang cung cấp đến 19% lượng điện tiêu thụ tại nước này, trong khi Pháp là nước có tỷ trọng năng lượng điện sản xuất từ các lò phản ứng hạt nhân cao nhất – đạt 80% vào năm 2006. Trong toàn bộ khu vực EU, năng lượng hạt nhân cung cấp 30% sản lượng điện.

Các quốc gia thuộc EU có các chính sách năng lượng hạt nhân khác nhau, và một số nước như Áo, Estonia và Ailen không có các nhà máy điện hạt nhân hoạt động. Tại Hoa Kỳ, trong khi ngành than đá và khí đốt được dự đoán đạt trị giá 85 tỷ USD vào năm 2013, các máy phát điện hạt nhân được dự đoán sẽ có trị giá 18 tỷ USD.

Nhiều tàu quân sự và dân dụng (như tàu phá băng) sử dụng động cơ đẩy hạt nhân hàng hải. Một vài tàu vũ trụ không gian được phóng có sử dụng các lò phản ứng hạt nhân với đầy đủ chức năng, như loạt tên lửa của Liên Xô RORSAT và SNAP-10A của Hoa Kỳ.

Trên phạm vi toàn cầu, việc hợp tác nghiên cứu quốc tế đang tiếp tục triển khai để nâng cao độ an toàn của việc sản xuất và sử dụng năng lượng hạt nhân như các nhà máy an toàn thụ động (passive nuclear safety), sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân, và sử dụng nhiệt bổ sung từ các quy trình như sản xuất hydro để khử muối nước biển, và sử dụng trong các hệ thống sưởi khu vực.

Xem thêm: Phản ứng hạt nhân và sự phóng xạ, phân rã hạt nhân

Trong lĩnh vực vật lý hạt nhân, tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hoặc nhiều hạt nhân nguyên tử hợp nhất với nhau để tạo thành một nhân đơn nặng hơn. Quá trình này thường kèm theo sự giải phóng hay hấp thụ những lượng năng lượng lớn.

Các quy trình tổng hợp nhiệt hạch quy mô lớn, với sự tham gia của nhiều hạt nhân hợp nhất cùng một lúc có thể xảy ra trong vật chất ở điều kiện mật độ và nhiệt độ rất cao.

Trường hợp tổng hợp hydro đơn giản nhất, đó là hai proton được đưa lại gần với nhau đủ để lực hạt nhân yếu chuyển hóa cả hai proton đồng nhất thành một nơtron tạo nên chất đồng vị hydro đơteri.

Trong các trường hợp tổng hợp ion nặng phức tạp hơn với sự tham gia của hai hay nhiều hạt nhân, cơ chế phản ứng có khác nhưng phát sinh cùng một kết quả, tức là hợp nhất các nhân nhỏ hơn thành các nhân lớn hơn.

Tổng hợp hạt nhân xảy ra tự nhiên ở tất cả các ngôi sao phát sáng. Tổng hợp nhân tạo do kết quả tác động của con người đã đạt được nhưng quá trình này vẫn chưa được kiểm soát một cách toàn diện để được khai thác như một nguồn năng lượng hạt nhân.

Trong phòng thí nghiệm, đã thực hiện thành công nhiều thử nghiệm vật lý hạt nhân liên quan đến sự tổng hợp nhiều hạt nhân khác nhau, nhưng lượng năng lượng đạt được không đáng kể trong các nghiên cứu này.

Trên thực tế, nguồn năng lượng cần thiết để thực hiện quy trình luôn vượt quá lượng năng lượng giải phóng ra. Nhưng sự kết hợp của các hạt nhân nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng 1 nơtron tự do, sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân.

Điều này dẫn đến một quá trình phóng thích năng lượng có thể tạo ra phản ứng tự duy trì (Tuy nhiên, từ hạt nhân Fe trở đi, việc tổng hợp hạt nhân trở nên thu nhiệt nhiều hơn tỏa nhiệt). Việc cần nhiều năng lượng để khởi động thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ thống lên cao trước khi phản ứng xảy ra. Chính vì lý do này mà phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Các phản ứng tổng hợp hạt nhân có tiềm năng an toàn hơn và tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn so với quá trình phân hạch. Các phản ứng này có khả năng diễn ra ổn định, mặc dù rất khó khăn về mặt kỹ thuật và hiện nay vẫn chưa đạt được mức độ quy mô có thể sử dụng như một nhà máy điện chức năng. Năng lượng tổng hợp hạt nhân đã được tập trung nghiên cứu về mặt lý thuyết và thực nghiệm từ những năm 1950.

Nghiên cứu về tổng hợp hạt nhân có kiểm soát với mục đích khai thác năng lượng tổng hợp để sản xuất điện, đã được tiến hành từ hơn 50 năm. Tuy gặp nhiều khó khăn về khoa học và công nghệ nhưng nghiên cứu cũng đạt được một số tiến bộ.

Hiện tại, các phản ứng tổng hợp có kiểm soát vẫn chưa thể tạo ra các phản ứng tổng hợp có kiểm soát tự duy trì (self-sustaining). Các mẫu thiết kế lò phản ứng mà về mặt lý thuyết có thể cung cấp nguồn năng lượng tổng hợp cao hơn gấp 10 lần so với lượng năng lượng cần thiết để nung nóng plasma lên nhiệt độ yêu cầu ban đầu được dự kiến sẽ đưa vào hoạt động vào năm 2018, tuy nhiên kế hoạch này đã bị trì hoãn và thời hạn vẫn chưa được chỉ rõ.

Việc sản xuất điện từ năng lượng tổng hợp hạt nhân ban đầu được cho là có thể đạt được, tuy nhiên do những yêu cầu về điều kiện khắc nghiệt để duy trì phản ứng liên tục và chứa plasma đã khiến các kế hoạch bị trì hoãn trong nhiều thập kỷ, đã hơn 60 năm trôi qua kể từ khi các nỗ lực ban đầu được thực hiện, sản xuất năng lượng thương mại được cho là chỉ có thể trở thành hiện thực sau năm 2040.

Tính đến tháng 7/2010, JET (Dự án thử nghiệm thiết bị từ trường hình xuyến chung châu Âu – Joint European Torus) được coi là thí nghiệm vật lý nhân tạo lớn nhất giam giữ plasma bằng từ đã được thực hiện. Thiết bị này được đặt tại Anh, mục đích chính của nó là để mở đường cho tương lai các lò phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Năm 1997, JET đã đạt đỉnh cao nhất khi tạo ra được 16,1 megawatt năng lượng tổng hợp (bằng 65% lượng năng lượng đầu vào), lượng năng lượng tổng hợp trung bình đã đạt được trên 10 MW duy trì trong hơn 0,5 giây.

Tháng 6/2005, thiết bị kế nhiệm của nó là ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) một chương trình thí nghiệm tokamak quốc tế đặt tại Pháp. Dự án này thu hút sự tham gia của 7 quốc gia: Hoa Kỳ, Trung Quốc, EU, Ấn Độ, Nhật Bản, Liên bang Nga và Hàn Quốc.

Lò phản ứng ITER được thiết kế để chứng tỏ tính khả thi xét trên phương diện khoa học cũng như kỹ thuật của một lò phản ứng năng lượng nhiệt hạch hoàn chỉnh. ITER là thí nghiệm lớn cuối cùng trước khi một nhà máy điện nhiệt hạch chính thức được xây dựng trên thế giới.

Đề án này không có tham vọng giải quyết tất cả các vấn đề năng lượng của trái đất nhưng nó sẽ chứng minh rằng có thể sản xuất được lượng năng lượng rất lớn xuất phát từ phản ứng tổng hợp hạt nhân nhiệt hạch. Phương tiện này được bắt đầu xây dựng năm 2008 và hy vọng lần đầu tiên có thể duy trì được trạng thái plasma vào năm 2018.

DEMO (tên viết tắt của DEMOnstration Power Plant) là một nhà máy điện tổng hợp hạt nhân thao diễn được dự kiến xây dựng dựa trên sự thành công được mong đợi của lò phản ứng tổng hợp hạt nhân thử nghiệm ITER.

Trong khi mục tiêu của ITER là sản xuất được 500 megawatt năng lượng tổng hợp trong ít nhất là 500 giây, thì mục tiêu của DEMO sẽ là sản sinh được ít nhất là gấp bốn lần lượng nhiệt tổng hợp đó dựa trên một cơ sở liên tục.

DEMO được dự kiến sẽ là lò phản ứng tổng hợp đầu tiên sản sinh ra điện. Để đạt được mục tiêu này, DEMO cần có kích thước lớn hơn khoảng 15% so với ITER và mật độ plasma phải lớn hơn của ITER khoảng 30%. Một lò phản ứng tổng hợp DEMO thương mại nguyên mẫu đầu tiên có thể làm cho năng lượng tổng hợp trở thành hiện thực vào năm 2033. Nếu công viện tiến triển theo đúng kế hoạch các lò phản ứng tổng hợp thương mại sẽ có giá thành chỉ bằng một phần tư chi phí DEMO.

Xem thêm: Lò phản ứng hạt nhân – Cấu trúc, phân loại, đánh giá

Phản ứng phân hạch hạt nhân, còn gọi là phản ứng phân rã nguyên tử là quá trình trong đó hạt nhân nguyên tử bị phân chia thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn và vài sản phẩm phụ khác. Các sản phẩm phụ bao gồm các hạt neutron, photon tồn tại dưới dạng các tia gama, tia beta và tia alpha.

Các đồng vị nhất định của một số nguyên tử có khả năng phân tách và sẽ giải phóng năng lượng của chúng dưới dạng nhiệt. Sự phân tách này được gọi là sự phân hạch. Nhiệt giải phóng trong sự phân hạch có thể dùng để giúp phát điện trong các nhà máy điện.

Uranium 235 (U-235) là một trong các đồng vị dễ dàng phân hạch. Trong khi phân hạch, các nguyên tử U-235 hấp thụ các neutron chậm. Sự hấp thụ này làm cho U-235 trở nên không bền và phân tách thành hai nguyên tử nhẹ gọi là các sản phẩm phân hạch.

Tổng khối lượng của các sản phẩm phân hạch nhỏ hơn khối lượng của U-235 ban đầu. Sự suy giảm khối lượng xảy ra vì một phần vật chất đã chuyển hóa thành năng lượng. Năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt. Hai hoặc ba neutron được giải phóng kèm theo với nhiệt. Các neutron này có thể va chạm với những nguyên tử khác, gây ra nhiều sự phân hạch hơn.

Một chuỗi phân hạch liên tiếp được gọi là phản ứng dây chuyền. Nếu có đủ lượng uranium được đưa đến gần với nhau dưới những điều kiện nhất định, thì sẽ xảy ra một phản ứng dây chuyền liên tục. Hiện tượng này gọi là phản ứng dây chuyền tự duy trì. Một phản ứng dây chuyền tự duy trì sinh ra lượng nhiệt rất lớn, có thể dùng để giúp phát điện.

Nhà máy điện hạt nhân phát điện theo kiểu giống như các nhà máy điện hơi nước khác. Nước được đun nóng và hơi nước bốc lên từ nước sôi làm quay tuabin và phát điện. Sự khác biệt chủ yếu ở các loại nhà máy điện hơi nước là nguồn sinh nhiệt. Trong nhà máy điện hạt nhân, nhiệt phát ra từ phản ứng dây chuyền tự duy trì làm sôi nước. Còn trong các nhà máy khác, người ta đốt than đá, dầu lửa hoặc khí thiên nhiên để đun sôi nước.

Ngoài phát điện, công nghệ hạt nhân còn giữ vai trò quan trọng trong y khoa, nghiên cứu khoa học, thực phẩm và nông nghiệp. Ví dụ các bác sĩ sử dụng các đồng vị phóng xạ để nhận dạng và nghiên cứu các nguyên nhân gây bệnh. Họ còn dùng chúng để tăng liệu pháp điều trị y khoa truyền thống. Trong công nghiệp, các đồng vị phóng xạ được dùng để đo những chiều dày vi mô, dò tìm những dị thường trong vỏ bọc kim loại và kiểm tra các mối hàn.

Các nhà khảo cổ sử dụng kỹ thuật hạt nhân để xác định niên đại các vật thời tiền sử một cách chính xác và định vị các khiếm khuyết ở các tượng đài và nhà cửa. Bức xạ hạt nhân được dùng để bảo quản thực phẩm. Nó giữ được nhiều vitamin hơn so với đóng hộp, đông lạnh hoặc sấy khô.

Xem thêm: Nhà máy điện hạt nhân – Nguyên tắc thiết kế và vận hành