Les noyaux atomiques sont composés de neutrons et de protons, qui forment un ensemble d'autant plus stable que leur énergie de liaison et plus forte. Cette énergie de liaison provient du fait que la masse du noyau est inférieur à la somme des masses individuelles des protons et neutrons qu'il contient (lié à l'équivalence entre énergie et masse : e=mc2). Les noyaux très gros et très petits ont des énergies de liaison plus faibles que les noyaux de tailles moyennes...
La fission nucléaire correspond tout simplement à la segmentation d'un gros noyau par des neutrons en plusieurs noyaux plus petits et plus stables. Des noyaux identiques peuvent se fragmenter en des noyaux différents, mais dans la plupart des cas il y a dégagement de neutrons, qui peuvent à leur tours déclencher des réactions de fission nucléaire, il y a alors réactions en chaîne. Ces réactions peuvent dans certains cas être contrôlées, comme dans les centrales et les piles nucléaires, et peuvent même parfois être rendues explosives comme dans les bombes nucléaires dites bombes A.
Dans les centrales nucléaires, le combustible utilisé est l'Uranium 235 (235U), d'énergie de liaison 7,55 MeV par nucléon. Si un neutron y pénètre il le scinde immédiatement en corps plus petits d'énergie de liaison 8,45 MeV. La réaction produit donc 0,9 MeV par nucléon soit 235*0,9=211,5 MeV par noyau, soit à peu près 7*10puissance10 J par grammes d'Uranium, mais les 2/3 de cette énergie est perdue... Par comparaison un gramme de charbon produit 3,3*10puissance4 MeV.
Seuls quelques noyaux, dont certains existent en faible quantité dans la nature, sont fissibles, comme l'Uranium 235 ou le Plutonium 240. Lors de la fission, ces corps dégagent en moyenne 2,5 neutrons, ces neutrons sont trop rapides pour faire d'autres fissions, ils sont donc ralentis par des modérateurs, puis fissionnent d'autres noyaux. Le flux de neutrons est maintenu a un niveau constant dans les centrales, pour éviter que le nombre de noyaux qui fissionnent ne s'emballe, et provoque une excursion nucléaire, comme à Tchernobyl. Ce niveau est maintenu grâce à des corps absorbants. Le tout est immergé dans un fluide caloriporteur, qui sert à transporter la chaleur pour fabriquer de la vapeur.
On parle de fillières nucléaires (REP, UNGG, eau lourde...) : ces filières divergent par les matériaux utilisés : combustibles, modérateurs, absorbants, caloporteur... Par exemple, la fillière graphite-gaz maintenant presque abandonnée utilisait de l'Uranium naturel comme combustible, du graphite comme absorbeur, et du gaz carbonique comme caloporteur. En occident la plus répandue est la filière à eau préssurisée PWR : elle utilise de l'Uranium enrichi à 3% comme combustible, de l'eau comme caloporteur et comme modérateur, et des barres de graphites réglables comme absorbeurs.
Les réacteurs à neutrons rapides n'ont pas de modérateur. Les neutrons sont alors plus rapides et plus difficiles à absorber par les noyaux, il faut donc utiliser de l'Uranium 235 ou du Plutonium 240 presque purs. Ces réacteurs sont aussi appelé surgénérateurs car ils peuvent servir à transformer de l'Uranium 238, non fissible mais abondant, en Uranium 235.