Fissio ja fuusio ovat erityyppisiä ydinreaktioita, joissa energiaa vapautuu ytimen hiukkasten välisistä suuritehoisista siteistä. Atomiydin on vakain, kun sitoutumisenergiat hiukkasten välillä ovat vahvimmat. Tämä tapahtuu raudan ja nikkelin kanssa. Kevyempien ytimien osalta energiaa voidaan louhia yhdistämällä nämä ytimet yhteen, mikä tunnetaan ydinfuusiona. Rautaa tai nikkeliä raskaammille ytimille energiaa voidaan ottaa halkaisemalla ne erilleen prosessissa, jota kutsutaan ydinfissioksi.
Koska sitoutumisvoima atomin ytimessä sisältää valtavaa energiaa, ydinreaktiot voivat periaatteessa tuottaa tonnia voimaa. Käytännön näkökohdat tekevät ydinvoiman hyödyntämisestä kuitenkin vaikeampaa kuin jotain niin yksinkertaista kuin tulipalon sytyttäminen. Fissiota varten on käytettävä erittäin puhdistettua raaka -ainetta, yleensä uraani- tai plutonium -isotooppeja. Isotooppeja suositaan, koska niiden epävakaus helpottaa niiden hajoamista. Näiden isotooppien puhdistus on erittäin kallista ja vaatii monen miljoonan dollarin sentrifugit.
Fuusioissa on saavutettava erittäin korkea kynnysenergia atomien ytimien yhdistämiseksi, ja vaadittu lämpötila on miljoonia asteita. Luonnossa ainoa paikka, jossa tämä tapahtuu, on tähden ytimessä. Ylikuumentunut plasma ja laservoiman tarkennus ovat kaksi tapaa saavuttaa tämä kynnysenergia. Koska fuusiovälineenä toimivan aineen on oltava niin kuuma, se on eristettävä ympäröivästä aineesta käyttämällä voimakkaita magneettikenttiä tai inertiaa, mikä on Tokamakin reaktorin periaate. Silti fuusio vaatii niin paljon energiaa, ettei kukaan ole vielä rakentanut reaktoria, joka tuottaa enemmän kuin kuluttaa.
Fissiovoiman haittapuolia ovat sekä radioaktiiviset sivutuotteet että sen yhdistäminen ydinaseisiin ja sulatukseen. Viimeisen vuosikymmenen aikana ydinfyysikot ovat kehittäneet turvallisempia tapoja rakentaa reaktoreita, mukaan lukien menetelmät radioaktiivisten sivutuotteiden kierrättämiseksi. Nämä edistysaskeleet ovat saaneet Yhdysvaltain hallituksen jälleen puolustamaan ydinreaktorien rakentamista.