Radioaktiivisten aineiden löytyminen ja ydinfysiikan tutkimus 1900-luvun ensimmäisinä vuosikymmeninä johtivat ydinfission hyödyntämiseen eri tarkoituksissa. Kun neutroni oli löydetty vuonna 1932, käytettiin niitä muodostamaan uusia keinotekoisia alkuaineita ja hajottamaan uraaniytimiä. Huomattiin, että uraanin ydinfissio tapahtuu todennäköisemmin isotoopissa uraani-235 kuin yleisimmässä isotoopissa uraani-238:ssa. Isotooppia U-235 on vain 0,7 % luonnon uraanimalmissa. Fissioreaktioiden lisäämiseksi uraanimalmia täytyy rikastaa eli lisätä isotoopin uraani-235 suhteellista määrää. Uraanin ydinfissiossa syntyvät keskiraskaat ytimet, joiden massaluvut ovat 140 ja 90–100 ympärillä. Ydinfissiossa ei synny aina yhtä tiettyä tytärydinparia, vaan vaihtoehtoja on useita.


[[$ \quad ^{1}_{0}\textrm{n}+{^{235}_{92}\textrm{U }}\rightarrow \textrm{ } ^{141}_{56}\textrm{Ba}+{^{92}_{36}\textrm{Kr}}+\textrm{3 }^{1}_{0}\textrm{n} $]]​

Esimerkki ydinfissiosta

Fissiossa syntyvät sellaiset tytärytimet, että massaluku ennen ja jälkeen reaktion on sama. Tytärytimien lisäksi fissioreaktiossa vapautuu neutroneita, usein kahdesta kolmeen kappaletta. Syntyneet neutronit voivat halkaista uusia uraaniytimiä, jolloin syntyy ketjureaktio. Tämä havaittiin ydinfysiikan laboratoriokokeissa vuonna 1939.

Ydinfysiikan kokeet osuivat samaan ajankohtaan kun poliittisen tilanteen kärjistyminen toiseksi maailmansodaksi. Ydinfissiossa vapautuvaa energiaa ryhdyttiin suunnittelemaan käytettäväksi aseena. Aseiden valtava tuhokyky koettiin toisen maailmansodan lopussa 1945, kun Yhdysvallat pudotti kaksi atomipommia Japaniin. Atomipommeissa energia syntyi fissioreaktioissa. Myöhemmin rakennetuissa ydinaseissa, vetypommeissa, käytetään fission lisäksi ydinfuusiota energian vapautustapana. Toisen maailmansodan jälkeen ydinaseiden määrät lisääntyivät, kun Yhdysvallat ja Neuvostoliitto valmistivat niitä tuhansittain. Maailmanpoliittinen tilanne lisäsi ydinasevaltioita 1900-luvun jälkipuoliskolla.

Ydinvoimaa ja ydintutkimusta ryhdyttiin tekemään myös rauhanomaisiin tarkoituksiin. Hiukkasfysiikan tutkimuslaitos perustettiin CERNiin ja ydinvoimaa ryhdyttiin käyttämään energianlähteenä esimerkiksi sukellusveneissä tai laivoissa. Ensimmäinen ydinvoimala valmistui Neuvostoliittoon vuonna 1954. Ydinvoimaloiden rakentaminen myös kaupallistui ja Englannissa valmistui ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala vuonna 1956.

Nykyisin ydinvoimaloita on maapallolla 452 kappaletta (lokakuu 2018). Maailman sähköntuotannosta ne kattavat 10,5 %. Eniten ydinvoimaloita on Yhdysvalloissa, Ranskassa, Kiinassa ja Venäjällä. Ydinvoimaloita rakennetaan edelleen ja etenkin Kiinaan on suunnitteilla lukuisia uusia ydinvoimaloita. Suomessa on neljä ydinvoimalaa: kaksi reaktoria Loviisassa ja kaksi Olkiluodossa, jonne on rakenteilla yksi lisää. Olkiluodossa yhden voimalaitoksen teho on vajaat 900 MW ja Loviisassa reilut 500 MW.


Ensimmäinen kaupallinen ydinvoimala Calder Hall valmistui 1956.