Atomkerner består altid af nukleoner – en fælles betegnelse for de positivt ladede protoner og neutrale neutroner – men selve opbygningen af atomkernerne er styret af to fundamentale naturkræfter. De positivt ladede protoner i en atomkerne bliver frastødt af hinanden pga. den elektromagnetiske Coulombkraft. Samtidig bevirker den stærke kernekraft, at protonerne og neutronerne bliver tiltrukket af hinanden, når de kommer tæt nok på hinanden. Størrelsen af begge kræfter er afgjort af den indbyrdes afstand mellem nukleonerne, og ved en given afstand opnås et minimum i energi. Ved denne afstand kræver det både energi at rykke protonerne og neutronerne tættere sammen og at adskille dem. Partiklerne er derfor stabilt forbundet. Den energi, som det ville kræve at adskille alle nukleonerne fra hinanden i en atomkerne, kaldes bindingsenergien. Bindingsenergien kan også udtrykkes ved en såkaldt massedefekt. Fra Einsteins masse-energi-relation er sammenhængen mellem energi og masse givet E=mc2. Bindingsenergien i en atomkerne ses ved, at massen af selve atomkernen er mindre end den samlede masse af de enkelte partikler, som atomkernen består af. Fx vejer helium-4 i alt 4.002 u og består af to protoner og to neutroner. To frie protoner og to frie neutroner vejer i alt 4.032 u. Altså vejer nukleonerne mere, når de er frie. Massedefekten er forskellen mellem disse tal og svarer til ca. 0.030 u for helium-4, hvilket kan omregnes til energi via Einsteins berømte formel.
Ikke alle atomkerner har samme bindingsenergi. Bindingsenergien afhænger nemlig af størrelsen af atomkernen. På figuren ovenfor ses en graf over sammenhængen mellem antallet af nukleoner i en atomkerne og den gennemsnitlige bindingsenergi pr. nukleon. Den gennemsnitlige bindingsenergi opnår et maksimum for jern-isotopen 56Fe. Forskellen i bindingsenergi for forskellige atomkerner er både det, som udnyttes i fissions- og fusionsenergi.
På fissionskraftværker henfalder isotopen 235U via flere kerneprocesser til lettere atomkerner – altså bevæger vi os fra uran mod jern på grafen. Bindingsenergien pr. nukleon for de nyligt dannede kerner er højere end for 235U, og derved frigøres der energi, som kan omsættes til elektricitet.
Ved fusionsprocesser sker det modsatte. Hvis to lette atomkerner kommer så tæt på hinanden, at den tiltrækkende stærke kernekraft er kraftigere end den frastødende Coulombkraft, vil kernerne fusionere og blive til en tungere kerne. Da bindingsenergien af den nye, tungere kerne er større end den samlede bindingsenergi af de oprindelige, lette kerner, så frigives der energi. For at atomkernerne kan komme tæt nok på hinanden til at fusionere, kræver det, at de kolliderer med høj fart. Farten af partiklerne er udtrykt ved deres temperatur. I Solen, hvor temperaturen og partikeltætheden er høj, sker der konstant fusionsprocesser. Hydrogenkerner fusionerer til heliumkerner, og derved frigøres der enorme mængder energi. Den energi mærker vi hver dag på Jorden i form af Solens varme.
I fusionsreaktorer forsøger forskere at imitere Solen og skabe fusionsprocesser på Jorden. Den mest lovende og praktiske fusionsreaktion er fusion af de tunge brint-isotoper deuterium og tritium:
21D + 31T → 42He + 10n + 17.6 MeV
Deuterium kan udvindes direkte fra havvand og findes naturligt i store mængder på Jorden. Tritium er radioaktivt og findes kun i små mængder på Jorden men kan dannes vha. litium i en fusionsreaktor. Litium findes naturligt på Jorden i form af litium-salte, som enten kan udvindes fra saltsøer eller miner. Omdannelsen af litium til tritium sker ved en af følgende processer:
10n + 73Li → 31T + 42He + 10n
10n + 63Li → 31T + 42He
Fusionsprocessen med deuterium og tritium er i forskernes søgelys, fordi reaktionen forløber ved større sandsynlighed end de mange andre mulige reaktioner, og man danner derfor mere energi ved en given temperatur. Andre fusionsprocesser vil i fremtiden være mulige i en reaktor. For eksempel kan nævnes fusion af to deuterium-kerner eller fusion af en proton med 115B.