핵에너지(nuclear energy)는 원자핵의 변화 과정에서 방출되는 에너지를 의미한다. 원자핵은 양성자와 중성자가 강한 핵력으로 결합되어 있으며, 이 결합에 변화가 생길 때 질량 결손에 해당하는 에너지가 방출되는데 이것이 핵에너지이다. 한국어에서는 '원자력'이라는 용어로도 널리 사용되나, 과학적으로는 '핵에너지'가 보다 정확한 표현이다.
핵에너지를 얻는 방법은 크게 핵분열과 핵융합으로 구분된다. 핵분열은 우라늄-235, 플루토늄-239 등 무거운 원소의 원자핵이 중성자를 흡수하여 두 개 이상의 가벼운 핵으로 쪼개지는 현상으로, 이 과정에서 막대한 에너지와 함께 추가 중성자가 방출되어 연쇄반응을 일으킨다. 현재 상업용 원자력발전소는 모두 핵분열 방식을 이용하며, 우라늄-235 1kg이 핵분열할 때 방출되는 에너지는 석유 약 9,000드럼 또는 석탄 약 3,000톤을 연소시킬 때 얻는 에너지와 맞먹는다.
핵융합은 중수소, 삼중수소 등 가벼운 원소의 원자핵이 고온·고압에서 융합하여 더 무거운 핵으로 변하는 과정에서 에너지를 방출하는 방식이다. 태양과 같은 항성의 에너지원이 핵융합 반응이다. 핵융합은 핵분열에 비해 단위 질량당 더 많은 에너지를 방출하고 고준위 방사성폐기물 발생이 적으나, 초고온 플라즈마 상태를 안정적으로 유지하는 기술적 난제로 인해 현재까지 상용화되지 못하고 연구 단계에 있다.
핵에너지의 역사는 1896년 앙리 베크렐이 우라늄에서 방사선을 발견한 데서 시작된다. 1905년 알베르트 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리(E=mc²)가 핵에너지의 이론적 기초를 제공하였고, 1938년 오토 한과 프리츠 슈트라스만이 핵분열을 발견하였다. 1942년 엔리코 페르미가 최초의 인공 원자로(시카고 파일-1)를 건설하여 연쇄 핵분열 반응을 제어하는 데 성공하였다. 제2차 세계대전 중 맨해튼 프로젝트를 통해 핵무기가 개발되었고, 전후에는 평화적 이용을 위한 원자력발전 기술이 발전하여 1954년 구소련의 오브닌스크 원자력발전소가 세계 최초로 전력 생산을 시작하였다.
핵에너지의 활용 분야는 발전 외에도 의학(방사선 치료 및 진단), 산업(비파괴 검사, 방사성 동위원소 이용), 농업(품종 개량, 식품 조사), 군사(핵추진 잠수함 및 항공모함) 등으로 확대되어 왔다. 국제원자력기구(IAEA)는 원자력의 평화적 이용과 핵 비확산을 관장하는 국제 기구로서 1957년 설립되었다.
핵에너지 이용에는 안전성, 방사성폐기물 처리, 핵확산 위험 등의 과제가 수반된다. 체르노빌 원자력 발전소 사고(1986년)와 후쿠시마 원자력 발전소 사고(2011년)는 핵에너지 이용의 위험성을 전 세계에 환기시킨 주요 사건이다.
