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只要用一截小拇指大小的核燃料，就可產生相當於燃燒一公噸煤所得的電力。核能為什麼有這麼強大的能量？
人們對核能的恐懼主要來自於廣島、長崎和車諾比：兩顆原子彈改變了日本和世界的命運，一場核災則造成車諾比周遭4000人死於輻射導致的癌症，2萬5000平方公里的土地遭受污染。
雖然核能曾為人類社會帶來災禍，卻也是人類文明發展的重要推手之一，自從1957年第一座商用核能發電廠開始運轉以來，已經供應了人們無數的電能。核能到底是一種什麼樣的能量？人類如何利用它來發電？
核能發電的基本原理，是以中子撞擊特殊原子（主要是鈾，次要是鈽）的原子核，使原子核分裂為二，在這過程中被撞擊者會損失一些質量，這些質量轉化為能量，將核反應器中的水加熱到遠超過100℃，再用這些高溫水（或蒸汽）直接或間接推動汽輪發電機，成為我們需要的電能。
原子核分裂時損失的質量其實非常小，但卻能產生非常多的能量，原理就是愛因斯坦的狹義相對論中所提：質量和能量可以互換。根據狹義相對論公式E＝MC2（E為能量，M為質量，C為光速），只要損失1公克的質量，就可以換得2.151×1013卡熱量，可使21萬5100公噸的水，從0℃上升到100℃！要靠燒煤來達到這種效果，必須燒大約3000公噸才夠！
這麼小的質量，怎麼會變出這麼大的能量？原因在於光速C為3×108公尺/秒是非常大的數值，平方後又變得更大，和質量相乘後，會使能量E變得非常巨大。在這個數學式中，質量M的單位是公斤，能量E的單位是焦耳，也就是公斤×（公尺/秒）2，若讓1公克（0.001公斤）的物體質量轉變成能量，可算出E＝0.001×3×108×3×108＝9×1013焦耳。
焦耳的定義是從施力作功而來，一般人比較難以理解，不過若把焦耳換成一般人比較了解的能量單位「卡」（卡的定義是「使1公克水溫度上升1℃」），則1焦耳等於0.239卡，換算後就得出2.151×1013卡的能量。
操弄核分裂
為何核分裂會損失質量？這要從原子核的形成介紹起。原子核是由一定數量的中子和質子組成（兩者的質量很接近），但原子核的質量卻小於其中子和質子的質量總和，因為質子和中子結合時會釋放出束縛能（binding energy），使得系統總能量減少，由於質能可以互換，顯示在外的就是總質量變輕。
不同的原子核在形成時，所放出的束縛能不同，清華大學工程與系統科學系教授周懷樸指出，原子核的束縛能在氫原子核中最小，隨著原子質量數增加而快速增加，到了質量數50~60左右的元素（元素週期表上鐵、鈷、鎳附近）達到最大值，然後平緩下降，因此質量數50~60左右的元素平均每一核子（中子和質子的統稱）的質量最輕。
核能發電是以中子撞擊鈾（主要是鈾的同位素鈾235）原子核，使鈾235的原子核碎裂，形成兩個較小原子的原子核；這些較小原子核中每一核子的平均質量，都比鈾235原子核中每一核子的平均質量輕，因此雖然撞擊前後中子和質子的總數沒變，總質量卻減輕了。
這種撞擊導致的核分裂損失的質量非常少，事實上若有1公克的鈾235發生核分裂，大約只會損失0.001公克的質量，但這已足以使215.1公噸0℃的水上升到100℃。
核能不論用來製造核彈或發電都威力強大，原因不只在於極小質量化為極大能量，還要加上反應源源不絕，也就是「連鎖反應」。原子彈是刻意不去壓制連鎖反應，任由反應在一瞬間發生，能量瞬間釋放而造成大爆炸；核電廠則須嚴格掌控反應狀態，一旦出現問題，馬上採取必要手段吸收中子，讓反應中止。
用中子撞擊鈾235原子核會造成核分裂，但會變成哪兩種新原子並非一定，產物可能有很多種，成一定比例分佈。不論哪一種分裂方式，都有一個特性，就是在分裂同時會放出2~3個中子，這些新產出的中子又會撞擊其他鈾235原子核，造成連鎖反應。
核分裂時新產生的中子速度都很快，約每秒1萬4000公里，稱為「快中子」，因此必須讓快中子穿過「緩速劑」來減到適當速度。目前的核能發電主要是用速度約每秒2.2公里的「慢中子」撞擊鈾235原子核來發電，因為這樣造成核分裂的機率最高，發電功率當然也最高。
若用慢中子撞擊鈾235的同位素鈾238，造成鈾238原子核分裂的機率很低，但有機會使鈾238原子核吸收一個中子，變成鈽239，然後其他的中子（不論快慢）撞擊到鈽239，也可使鈽239分裂而產生能量。
而快中子則不論撞擊鈾235或鈾238，均能造成核分裂，但機率都比用慢中子撞擊鈾235低很多。
在天然鈾中，鈾235大約只佔0.7%，其他幾乎都是鈾238，必須要將鈾235的比率濃縮到3~5%，做成燃料棒，才能用來發電。當燃料棒中鈾235的含量降到0.6%左右，發電功率已不符成本，此時就可說燃料棒「壽命耗盡」。
從核能到電能
核電廠後端發電原理和火力發電廠一樣，都是產生高溫蒸汽來推動汽機發電，只是前端產生高溫蒸汽用的方式不同，核電廠是利用核分裂放出的能量，火力發電廠則是靠燃煤。
核電廠反應器中的水是非常重要的，不但可當做中子緩速劑，也要負責把核分裂產生的熱能帶走。若根據反應器中裝的水來分類，可分為使用「輕水」（H2O）的「輕水式反應器」和使用「重水」（D2O）的「重水式反應器」，台灣用的是輕水式反應器，這也是較多國家使用的，少數國家如加拿大則以重水式反應器為主。
若依反應器型式來分，則可分為「沸水式反應器」（BWR，見右頁〈沸水式反應器流程〉）和「壓水式反應器」。核一、二、四廠用的是沸水式反應器，核三廠用的則是壓水式反應器。沸水式和壓水式是目前全世界最普遍使用的反應器機種。
不論沸水式或壓水式反應器，都是將核燃料做成小圓柱狀，密封在以鋯為外殼的金屬棒中，再浸泡在爐心水中。燃料棒必須密封的原因是避免放射性核種外洩，污染反應爐用水，不過燃料棒外殼難免有些破損，所以反應爐水中一定會有核種，但仍要盡量減少。
另外還需要以「控制棒」來控制中子數量，控制棒的成份主要是鎘或硼，這兩種元素的特性是會吸收中子，中子沒有了，就無法進行連鎖反應。核三廠除控制棒外，也藉著調整爐水中硼液的濃度來控制反應速率，核一、二、四廠則另有備用的硼液，萬一緊急時控制棒出了問題，插不進反應爐，就將硼液注入，強制停機。
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