انرژی هسته ای انرژی موجود در هسته یا هسته اتم است. اتم‌ها واحدهای کوچکی هستند که تمام مواد موجود در جهان را تشکیل می‌دهند و انرژی چیزی است که اجزای هسته را به هم می‌چسباند. مقدار زیادی انرژی در هسته متراکم یک اتم وجود دارد. در حقیقت نیرویی که اجزای هسته را در کنار هم نگه می‌دارد رسماً نیروی قوی یا نیروی هسته‌ای قوی نامیده می‌شود.

از انرژی هسته‌ای می‌توان برای ایجاد الکتریسیته استفاده کرد اما در ابتدا باید این انرژی از اتم آزاد شود. در روند شکافت هسته ای، اتم‌ها تقسیم می‌شوند تا این انرژی را آزاد کنند.

راکتور هسته ای یا نیروگاه مجموعه‌ای از ماشین آلات هستند که می‌توانند شکافت هسته ای را برای تولید برق کنترل کنند. سوختی که راکتورهای هسته ای برای تولید شکافت هسته ای استفاده می‌کنند، گلوله‌های عنصر اورانیوم است. در یک راکتور هسته ای، اتم‌های اورانیوم مجبور به تجزیه می‌شوند. با تقسیم شدن، اتم‌ها ذرات ریزی به نام محصولات شکافت را آزاد می‌کنند. محصولات شکافت باعث تقسیم شدن سایر اتم‌های اورانیوم می‌شوند و واکنش زنجیره‌ای را شروع می‌کنند. انرژی آزاد شده از این واکنش زنجیره‌ای گرما ایجاد می‌کند.

گرمای ایجاد شده توسط شکافت هسته‌ای عامل خنک کننده راکتور را گرم می‌کند. این عامل خنک کننده معمولاً آب است، اما برخی از راکتورهای هسته ای از فلز مایع یا نمک مذاب استفاده می‌کنند. عامل خنک کننده که با شکافت هسته ای گرم می‌شود بخار تولید می‌کند. این بخار باعث چرخش توربین‌ها یا چرخ‌هایی می‌شود که توسط جریان شاره چرخانده می‌شوند. توربین‌ها ژنراتورها یا موتورهایی را ایجاد می‌کنند که برق تولید می‌کنند.

میله‌هایی از موادی به نام «شرنگ هسته ای» (nuclear poison) می‌توانند میزان تولید برق را تنظیم کنند. شرنگ هسته ای حاوی موادی مانند زنون است که برخی از محصولات حاصل از شکافت هسته ای را جذب می‌کنند. هرچه میله‌های شرنگ هسته ای بیشتری در طول واکنش زنجیره ای وجود داشته باشد واکنش کندتر و کنترل شده‌تری به وجود می‌آید. حذف میله‌ها باعث ایجاد واکنش زنجیره‌ای قوی‌تر و ایجاد برق بیشتر می‌شود.

از سال 2011 حدود 15 درصد از برق جهان توسط نیروگاه‌های هسته ای تولید می‌شود. نیروگاه هسته ای بوشهر در سال ۱۳۹۰ با ظرفیت تولید ۱۰۲۴ مگاوات ساعت برق به بهره برداری رسید ولی کماکان بیشتر برق کشور از طریق سوخت‌های فسیلی و انرژی برق آبی ایجاد می‌شود. کشورهایی مانند لیتوانی، فرانسه و اسلواکی تقریباً تمام برق خود را از نیروگاه‌های هسته ای تولید می‌کنند.