Kernenergiecentrales en fossiele brandstoffen verschillen vooral in waar hun energie vandaan komt; een kernreactor produceert warmte uit radioactieve metalen, en een fossiele brandstofinstallatie verbrandt steenkool, olie of aardgas. Naast de technische verschillen tussen de twee benaderingen, hebben ze ook een ander effect op het milieu: fossiele brandstoffen zijn berucht vanwege de uitstoot van broeikasgassen, terwijl kernreactoren bekend staan om radioactief afval, dat duizenden jaren gevaarlijk kan zijn.
Koolwaterstoffen vs. Radioactiviteit

Een fossielgestookte energiecentrale vertrouwt op de oude technologie van vuur om warmte te produceren; dergelijke fabrieken verbranden koolwaterstofbrandstoffen zoals methaan of poederkool. Bij het verbrandingsproces komt energie vrij van de chemische bindingen in de brandstof. Kernreactoren benutten daarentegen de hitte van radioactiviteit. De zware, onstabiele atomen van uranium-235 en plutonium-239, beide gewone nucleaire brandstoffen, vervallen in lichtere elementen en genereren veel warmte.
Brandstof Energiedichtheid

Omdat nucleaire reacties veel energieker zijn dan chemische reacties , een pond nucleaire brandstof vervoert ongeveer 1 miljoen keer de energie als een pond fossiele brandstof. Volgens de Universiteit van Florida vereist een kolencentrale van 1 gigawatt 9.000 ton brandstof per dag; een gelijkwaardige kerncentrale verbruikt in dezelfde tijd ongeveer 3 kilogram (6,6 pond) uranium.
Afbraak van emissies

De verbrandingsreacties die een fossiele brandstofcentrale aandrijven verbruiken brandstof en zuurstof en produceren waterdamp, kooldioxide en energie. De verbranding van steenkool, aardgas en olie levert altijd CO2 op, een gas waarvan wordt aangenomen dat het sterk verbonden is met de opwarming van de aarde. Omdat steenkool en olie onbrandbare onzuiverheden bevatten, produceren deze bronnen ook stikstofoxiden, zwaveldioxide en andere verontreinigende stoffen. Een kerncentrale gebruikt geen chemische reacties om energie te produceren; tijdens normale operaties heeft het geen gasvormige emissies.
Milieugevaren

Er zijn gevaren met zowel fossiele brandstoffen als kerncentrales, hoewel veel van de gevaren verschillend zijn. Het reactorontwerp van de meeste werkende kerncentrales vereist de constante stroom water om te voorkomen dat de reactor oververhit raakt en mogelijk radioactiviteit in de omgeving afgeeft; de ramp in Fukushima in 2011 gebeurde toen waterpompen faalden. Met kolen gestookte energiecentrales produceren grote hoeveelheden as, vast afval dat kwik, arseen en andere gevaarlijke stoffen bevat. Sommige plantenexploitanten bevatten de as in gigantische vijvers, die kunnen scheuren en de omgeving verontreinigen. Een dergelijk ongeval gebeurde in 2008 in Tennessee, waarbij 1,3 miljoen kubieke meter - 1,7 miljoen kubieke meter - aslurrie vrijkwam.