Si ha fissione nucleare quando un nucleo pesante si scinde in due nuclei più piccoli di massa confrontabile.

Questa trasformazione può avvenire spontaneamente, oppure può essere stimolata bombardando con neutroni un nucleo pesante, che in tal caso si dice fissile. Ne sono esempi l’uranio-235 e il plutonio-239. Quando un neutrone colpisce un nucleo di uranio-235, questo si scinde in due nuclei liberando circa 0,2 GeV (1 GeV = 10⁹ eV) di energia e 2 o 3 neutroni. L’energia emessa da 1 g di uranio-235 (che contiene 2,6 · 10²¹ nuclei) corrisponde quindi a circa 8 · 10⁷ kJ (1 eV = 1,6 · 10^‒19 J); per ottenere la stessa energia bruciando metano ne servirebbero circa 1500 kg!

I neutroni emessi all’interno della massa dell’uranio-235 possono urtare altri nuclei e provocarne la fissione con liberazione di altra energia e altri neutroni (▶figura 2.20). Se la quantità di elemento radioattivo supera una certa massa detta critica, i neutroni prodotti sono in numero sufficiente a innescare una reazione a catena, cioè la fissione praticamente simultanea di tutti i nuclei fissili, che sfocia in un’esplosione nucleare. La massa critica del plutonio-239, per esempio, è pari a circa 15 kg, ma se l’elemento è particolarmente compresso può scendere fino a 5 kg, corrispondente a una sfera delle dimensioni di un’arancia. 

Nei reattori nucleari (circa 400 nel mondo), che oggi sono impiegati per produrre energia su larga scala, la reazione a catena deve, invece, essere controllata. A tal fine è necessario ridurre il numero e la velocità dei neutroni vaganti nella massa di uranio, in modo che la liberazione di energia termica sia graduale. Il calore viene poi convertito in vapore e successivamente in energia elettrica. Il rallentamento dei neutroni si ottiene circondando la massa di uranio con un moderatore, come la grafite o l’acqua pesante, che ha deuterio D al posto di \(_{1}^{1}\textrm{H}\), formula D₂O.

Per diminuire il numero di neutroni si ricorre alle barre di controllo, costituite di elementi come il boro e il cadmio: quando esse sono inserite tra le barre di uranio, assorbono un gran numero di neutroni bloccando così la reazione a catena.

Dalla reazione di fissione si producono molti nuclei leggeri, isotopi di vari elementi, che sono a loro volta instabili e radioattivi (scorie radioattive). Il loro smaltimento rappresenta il principale punto debole nell’impiego della tecnologia nucleare per la produzione di energia.

Nelle reazioni di fusione nucleare due nuclei leggeri si fondono per darne uno più pesante.

Nella reazione di fusione più comune quattro nucleoni si uniscono dando luogo alla formazione di un nucleo di elio, \(\mathrm{_{2}^{4}\textrm{He}}\) (▶figura 2.21). Poiché si sviluppa una forte repulsione quando i protoni si avvicinano l’uno all’altro, è molto difficile ottenere in pratica la fusione nucleare. Essa avviene invece nel Sole (e nelle altre stelle) grazie all’elevatissima temperatura che si raggiunge nella sua parte centrale: l’agitazione termica delle particelle, e quindi la loro energia cinetica, è così grande che esse sono in grado di vincere la forza repulsiva che altrimenti le allontanerebbe.