Fisija i fuzija su različite vrste nuklearnih reakcija u kojima se energija oslobađa iz jakih veza između čestica u atomskoj jezgri. Atomska jezgra je najstabilnija kada je energija vezanja između čestica najjača. To se događa kod željeza i nikla. Za lakše atomske jezgre, energija se može ekstrahirati spajanjem tih jezgri, procesom poznatim kao nuklearna fuzija. Za jezgre teže od željeza ili nikla, energija se može izvući razdvajanjem u procesu koji se naziva nuklearna fisija.
Budući da sila vezanja u atomskoj jezgri sadrži ogromnu energiju, nuklearne reakcije u principu mogu pružiti tone snage. Međutim, praktična razmatranja otežavaju iskorištavanje nuklearne energije nego nešto tako jednostavno kao što je paljenje požara. Za fisiju se mora koristiti visoko pročišćena sirovina, obično izotopi urana ili plutonija. Izotopi su favorizirani jer se zbog njihove nestabilnosti lakše raspadaju. Pročišćavanje ovih izotopa iznimno je skupo i zahtijeva centrifuge vrijedne više milijuna dolara.
U fuziji se mora postići iznimno visok prag energije da bi se spojile atomske jezgre, a potrebna je temperatura u milijunima stupnjeva. U prirodi je jedino mjesto gdje se to događa u jezgri zvijezde. Pregrijana plazma i fokusiranje laserske snage su dvije metode za postizanje ovog praga energije. Budući da materija koja služi kao medij fuzije mora biti tako vruća, mora biti izolirana od okolne materije pomoću snažnih magnetskih polja ili inercijalnog zadržavanja, što je princip iza reaktora Tokamak. Ipak, fuzija zahtijeva toliko energije da još nitko nije izgradio reaktor koji proizvodi više nego što troši.
Nedostaci snage fisije uključuju i radioaktivne nusproizvode i njihovu povezanost s nuklearnim oružjem i topljenjem. U posljednjih desetak godina nuklearni fizičari razvili su sigurnije načine izgradnje reaktora, uključujući metode za recikliranje radioaktivnih nusproizvoda. Ovaj napredak je uzrokovao da američka vlada ponovno počne zagovarati izgradnju nuklearnih reaktora.