核燃料可以點燃，也可以冷卻，透過溫度控制燃燒速度，但控制裂變速度要有特殊方法，好像是透過石墨吸收中子，但石墨吸收中子是有極限的，碳12轉化為碳14可能是極限，飽和了就不再吸收中子，中子只能轉化為氫氣。核燃料內部的中子很難釋放到外部，只能內部轉化、燃燒。

無論是木材、煤炭、石油或天然氣燃燒，發生的都是化學反應，所釋放的能量只與原子的外層電子的能量有關。一般都是電子伏特（ev）量級。核燃料的“燃燒”不同於化學燃料的燃燒，不會在反應堆內產生火焰。核能來自位於原子內深層的原子核，原子核雖然在體積上只佔原子的極小部分（半徑為原子的10-4～10-5），但卻集中了幾乎全部原子的質量。根據Einstein質量與能量的當量關係：

　 E=mc2

（式中c是光速3×108 m/s），可見原子核中蘊藏著巨大的能量。即：對於質量m的能量是等於該質量乘以光的巨大速率的平方，因此每一單位質量都有巨大數量的能量。同等質量的物質發生核反應放出的能量要比發生化學反應放出的能量大數百萬倍。例如一公斤鈾燃燒（裂變）放出的能量（～2.1010千卡）相當於250萬公斤煤燃燒所放出的能量，而一公斤氘燃燒（聚變）放出的能量相當於750萬公斤煤燃燒放出的能量。

原子核由中子和質子組成（最輕的氫原子核由一箇中子和一個質子組成，自然界中最重的鈾原子核由146箇中子和92個質子組成）。但是任何一個原子核的質量總 是小於組成該核的全部中子和質子的質量的和。這一質量之差稱為原子核的結合能。結合能是原子核結合緊密程度的度量，結合能越大（生成該核時釋放出的能量越大）原子核結合越緊密。

當平均結合能較小的原子核轉化成平均結合能較大的原子核時，就可釋放核能。中等質量核素的平均結合能最大，而輕或重核素的平均結合能較校輕核素尤其突出。