原子の内部にある「原子核」が変化する際、アインシュタインの相対性理論（$E=mc^2$）に基づき、反応前後の質量差分が莫大な熱エネルギーに変換されます。この核反応のアプローチには正反対の2つの道筋が存在します。
原子力発電（核分裂）の仕組みは、ウラン235やプルトニウム239といった非常に「重い原子核」に中性子を照射して2つ以上の軽い原子核に分裂させる現象を利用しています。1回の分裂で新たな中性子が2〜3個放出され、それが隣り合うウランに当たって次々に分裂する「ウラン・プルトニウムの連鎖反応」を持続させることで定常的な熱出力を得ています。燃料1回あたりの崩壊熱は極めて高く、最も純度の高い石炭の化学燃焼と比較して約600万倍以上のエネルギーを発生させる強力な熱源です。
対して核融合の原理は、太陽の内部で起きている現象と同じく、「極めて軽い原子核」同士を超高温・超高圧下で衝突させて合体させ、より重い別の原子核（主にヘリウム）を作り出す反応です。現在実用化に向けて最も研究が進んでいる「D-T反応」では、水素の同位体である重水素（デューテリウム）と三重水素（トリチウム）を用います。原子核同士が持つプラスの電気的反発力（クーロン力）をねじ伏せるため、約1億度以上の超高温プラズマ状態を作り出す必要があります。
