La fusion nucléaire est une réaction où deux noyaux atomiques s'assemblent pour former un noyau plus lourd (par exemple un noyau de deutérium et un noyau de tritium s'unissent pour former un noyau d'hélium plus un neutron). La fusion des noyaux légers dégage une énorme quantité d'énergie provenant de l'interaction forte. Ceci se traduit par un défaut de masse (cf. énergie de liaison ; E=mc²) ; le noyau résultant ayant une masse moins élevée que la somme des masses des noyaux d'origine.

Cette réaction n'est cependant possible qu'à des températures très élevées (plusieurs dizaines de millions de degrés) où la matière est à l'état de plasma. Ces conditions sont réunies au sein des étoiles ou lors de l'explosion d'une bombe à fission nucléaire, qui amorce ainsi l'explosion thermonucléaire (bombe H).

Actuellement, aucun appareillage ne permet de produire de l'énergie en contrôlant les réactions de fusion nucléaire. Des recherches sont en cours afin d'obtenir un plasma sur une durée suffisante, afin que l'énergie de fusion produite soit supérieure à celle investie dans le chauffage des particules. Des recherches sont actuellement menées dans un cadre international afin de développer l'usage civil de l'énergie de fusion nucléaire pour la production électrique.

Les deux principales caractéristiques de la fission sont une grande libération d’énergie sous forme de chaleur et la réaction en chaîne.

L’uranium-235 (92 protons) est le seul élément naturel à pouvoir subir une fission par bombardement de neutrons, réalisée dans les réacteurs nucléaires.En effet, cet atome est très gros et peut donc être cassé facilement.
Un neutron vient "percuter" le noyau d'un atome de plutonium. Ce noyau se divise alors en deux noyaux plus légers. On appelle cette réaction fission nucléaire. La conséquence est un dégagement d'énergie très important (environ 200 MeV)

Cette fission s'accompagne de l'émission de plusieurs neutrons qui, dans certaines conditions, percutent d'autres noyaux et provoquent ainsi une réaction en chaîne. Dans un réacteur nucléaire, cette réaction en chaîne se déroule à vitesse lente et contrôlée. Dans une bombe, elle se propage si rapidement qu'elle conduit à une réaction explosive.

L'importance de l'énergie émise dans la fission provient du fait que l'énergie de liaison par nucléon du noyau initial est plus faible que celle des noyaux produits (environ 7,7 MeV par nucléon pour les éléments lourds, contre 8,8 pour le fer). La plus grande partie de l'énergie se retrouve sous forme d'énergie cinétique des neutrons et des noyaux fils, énergie récupérée sous forme de chaleur dans les réacteurs.