De hoeveelheid energie die vrijkomt bij een kernreactie is zo groot omdat er veranderingen in de structuur van atoomkernen optreden. Wanneer de kernen van atomen worden gecombineerd of gesplitst, komt er een aanzienlijke hoeveelheid energie vrij of wordt deze geabsorbeerd. Dit komt omdat de sterke kernkracht, die de protonen en neutronen in de kern bij elkaar houdt, een van de sterkste krachten in de natuur is. Het overwinnen van de sterke kernkracht vergt veel energie, en deze energie komt vrij wanneer de kernen worden herschikt.

Bij kernreacties komt de energie die vrijkomt voort uit de omzetting van massa in energie, volgens Einsteins beroemde vergelijking E=mc². Wanneer atoomkernen zich combineren of splitsen, wordt een kleine hoeveelheid massa omgezet in een grote hoeveelheid energie. Dit is de reden waarom kernreacties zoveel energie kunnen produceren.

Wanneer een uraniumatoom bijvoorbeeld kernsplijting ondergaat, splitst het zich in twee kleinere atomen, zoals krypton en barium. Bij dit proces komt een enorme hoeveelheid energie vrij omdat een klein deel van de massa van het uraniumatoom in energie wordt omgezet. De energie die vrijkomt bij een enkele splijtingsreactie is gelijk aan de energie die vrijkomt bij de verbranding van enkele tonnen steenkool.

De energie die vrijkomt bij kernreacties maakt kerncentrales en kernwapens mogelijk. In een kerncentrale wordt de gecontroleerde vrijgave van kernenergie gebruikt om elektriciteit op te wekken, terwijl in een kernwapen de ongecontroleerde vrijgave van kernenergie een verwoestende explosie veroorzaakt.