无论是木材、煤炭、石油或天然气燃烧，发生的都是化学反应，所释放的能量只与原子的外层电子的能量有关。一般都是电子伏特（ev）量级。核燃料的“燃烧”不同于化学燃料的燃烧，不会在反应堆内产生火焰。核能来自位于原子内深层的原子核，原子核虽然在体积上只占原子的极小部分（半径为原子的10-4～10-5），但却集中了几乎全部原子的质量。根据Einstein质量与能量的当量关系：
E=mc2
（式中c是光速3×108 m/s），可见原子核中蕴藏着巨大的能量。即：对于质量m的能量是等于该质量乘以光的巨大速率的平方，因此每一单位质量都有巨大数量的能量。同等质量的物质发生核反应放出的能量要比发生化学反应放出的能量大数百万倍。例如一公斤铀燃烧（裂变）放出的能量（～2.1010千卡）相当于250万公斤煤燃烧所放出的能量，而一公斤氘燃烧（聚变）放出的能量相当于750万公斤煤燃烧放出的能量。
原子核由中子和质子组成（最轻的氢原子核由一个中子和一个质子组成，自然界中最重的铀原子核由146个中子和92个质子组成）。但是任何一个原子核的质量总是小于组成该核的全部中子和质子的质量的和。这一质量之差称为原子核的结合能。结合能是原子核结合紧密程度的度量，结合能越大（生成该核时释放出的能量越大）原子核结合越紧密。
当平均结合能较小的原子核转化成平均结合能较大的原子核时，就可释放核能。中等质量核素的平均结合能最大，而轻或重核素的平均结合能较校轻核素尤其突出。
因此，核燃料的“燃烧”实际上是把轻核素聚合成较重的核素（例如把氢聚合成氦）或把重核素分裂成较轻的核素（例如把铀分裂成钼和锡）时，伴随着释放能量的过程。
