300px|thumb|Neljän ydinvoimalaitoksen ryhmä Cattenomissa Ranskassa. Taustalla näkyvät jäähdytystornit, joista kohoaa vesihöyryä. Etualan rakennukset ovat varsinaisia voimalaitoksia, joiden yhteenlaskettu sähköteho 5200 MW vastaa noin puolta Suomen sähkön kulutuksesta.
Ydinvoima tai ydinenergia (vanhahtavasti atomivoima eli atomienergia) on energiantuotantoa, joka perustuu atomiytimien sidosenergian vapautumiseen fissio- tai fuusioreaktiossa tai muissa ydinreaktioissa, kuten radioaktiivisessa hajoamisessa. Ydinvoiman tuotannossa osa ydinpolttoaineen atomien massasta muuttuu energiaksi, joten ydinpolttoaineen energiasisältö on tavanomaisiin polttoaineisiin verrattuna hyvin suuri. Vapautuneen energian määrää voidaan ilmaista Albert Einsteinin löytämällä massan ja energian ekvivalenssin määräävällä yhtälöllä E = mc2. Fissioreaktiossa atomeita halkaistaan ja fuusioreaktiossa atomeita yhdistetään. Ydinvoima perustuu vahvaan vuorovaikutukseen fissio- ja fuusiovoimien tapauksessa ja heikkoon vuorovaikutukseen radioaktiivisuuden käytössä energianlähteenä.
Ydinvoimalla katetaan noin 9 prosenttia maailman sähköntuotannosta ja 5,2 prosenttia energiantuotannosta (vuonna 2024). Fissiovoimaloiden hiilidioksidipäästöt ovat alhaiset, mutta fissiovoimalat tuottavat radioaktiivista ydinjätettä, jonka loppusijoituksesta tai kierrätyksestä tulee huolehtia. Fuusiovoimalat ovat tutkimuksen alaisena ja koevoimala ITER sijaitsee Cadarachessa, Ranskassa. Fuusiovoiman ei uskota olevan valmista kaupalliseen käyttöön ennen vuotta 2050.http://web.mit.edu/newsoffice/2002/aaas3-0227.htmlhttp://www.vtt.fi/files/vtt/energyvisions/visions2050_summary.pdf
Ydinvoiman muodot thumb|300px|Kaikki ihmiskunnan käyttämä energia on alun perin lähtöisin ydinreaktioista, mutta toistaiseksi vain fissio on suoraan laajamittaisessa käytössä energiantuotannossa. Fuusion käyttöönottoa tutkitaan jatkuvasti, sillä jokainen väliporras lisää hukkaenergian määrää. 300px|thumb|Fissioreaktiossa atomi halkeaa ja vapauttaa energiaa.
Ydinvoimaa hyödynnetään pääasiassa sähköntuotantoon ydinvoimalaitoksissa ja ydinkäyttöisillä aluksilla. Ydinvoimaa käytetään jossain määrin myös muun muassa avaruudessa, majakoissa, vedenpuhdistuksessa ja tutkimuksessa. Suurin osa ydinvoimasta on sähkön tuotantoa ydinreaktorilla. Reaktorissa hallittu fissioketjureaktio tuottaa lämpöä, jolla kiehutetaan vettä. Höyry johdetaan turbiiniin, joka muuttaa lämpöenergian liike-energiaksi, jonka generaattori muuttaa edelleen sähköenergiaksi. Tämä on ydinvoimalaitosten ja ydinkäyttöisten laivojen ydinreaktorien toimintatapa. Harvinaisempaa on radioaktiivisessa hajoamisessa syntyvän energian hyödyntäminen muun muassa avaruusluotaimissa. Hallitulla fuusioreaktiolla ei toistaiseksi ole tuotettu energiaa, mutta ydinfuusio saattaa tulevaisuudessa muodostua tärkeäksi energianlähteeksi.Fells, N.: Nuclear Power , MS Encarta Online Encyclopedia, 2005.
Fissio
Ylivoimaisesti merkittävin ydinvoiman muoto on hallitun fissioreaktion hyödyntäminen. Fissiossa atomiydin halkeaa kahdeksi tai useammaksi kevyemmäksi atomiytimeksi, ja atomi hajoaa yhtä moneksi kevyemmän alkuaineen atomiksi. Lisäksi reaktiossa ytimestä sinkoutuu neutroneita, ja osa sen massasta muuttuu energiaksi.
Eräissä alkuaineissa voi suotuisissa olosuhteissa syntyä ketjureaktio, jossa fissiossa vapautuvat neutronit törmäävät muihin atomeihin ja aiheuttavat uusia fissioita. Jos kussakin fissiossa vapautuneet neutronit aiheuttavat keskimäärin ainakin yhden uuden fission, ketjureaktio pysyy käynnissä, muutoin se väistämättä pysähtyy. Ydinreaktorin tehon säätö perustuu yleensä vapaiden neutronien absorbointiin säätösauvoilla tai muilla keinoilla.
Ydinpolttoaineiksi kelpaavilta aineilta vaaditaan muutamia tekijöitä. Ensinnäkin vain harvat aineet pystyvät ylläpitämään ketjureaktiota eli ovat fissiilejä. Toisaalta taas energiaa saadaan vapautettua ainoastaan raskaista ytimistä, jotka hajoavat keskiraskaiksi ytimiksi. Tämä johtuu siitä, että keskiraskaiden alkuaineiden ytimien sidososuus (ytimen sidosenergia ytimen hiukkasten lukumäärää kohti) on suurempi kuin raskaiden tai keveiden aineiden sidososuus. Sidososuuden kasvaessa vapautuu ytimien rakenneosasten väliltä potentiaalienergiaa. Keveiden aineiden potentiaalienergiaa saadaan vapautettua fuusiolla.
Ydinpolttoaineessa käytetään yleensä uraanin fissiiliä isotooppia U-235 tai plutoniumin fissiiliä isotooppia Pu-239 tai molempia. Plutonium tuotetaan keinotekoisesti ydinreaktorilla, mutta uraania esiintyy luonnossa. Luonnon uraaniesiintymissä tiedetään jopa syntyneen luonnonydinreaktoreita, joissa ketjureaktio on käynnistynyt itsestään ja pysynyt käynnissä, kunnes polttoaine on loppunut.
Fuusio
Fissiolle vastakkainen reaktio on fuusio, jossa kaksi kevyen alkuaineen atomiydintä yhdistyy muodostaen uuden raskaamman alkuaineen. Samalla vapautuu hyvin suuria määriä energiaa. Yleensä fuusiossa yhdistyy kaksi vetyatomia, jolloin muodostuu heliumatomi. Fuusioreaktion vaatima suunnattoman korkea lämpötila ja siihen liittyvät ongelmat ovat tähän asti osoittautuneet suureksi tekniseksi esteeksi hallitun fuusioreaktion energiakäytössä. Toistaiseksi fuusion voimalaitoskäyttö vaikuttaisi olevan vähintään vuosikymmenien päässä. Luonnossa Auringon ja muiden tähtien energia on peräisin fuusioreaktiosta. Auringon energia on maapallon pääasiallinen energianlähde, sillä kaikki ihmisen käyttämä energia on tavalla tai toisella lähtöisin Auringosta, lukuun ottamatta ydinvoimaa ja geotermistä energiaa.Highfield, R.: How does fusion power work?. The Daily Telegraph, Lontoo, 22.11.2006.
Radioaktiivisuus energianlähteenä
Radioaktiivisuuden käyttö energianlähteenä perustuu heikkoon vuorovaikutukseen. Radioaktiivisessa hajoamisessa vapautuvaa energiaa voidaan hyödyntää laitteissa, jotka kuluttavat suhteellisen vähän energiaa. Radioaktiivisuuteen perustuva isotooppiparisto (RTG) on vakaa ja pitkäikäinen voimanlähde syrjäisiin tai muuten eristettyihin järjestelmiin. Tyypillisiä käyttötarkoituksia ovat majakat, avaruusluotaimet ja satelliitit, aiemmin myös sydämentahdistimet. Hyvin pienet määrät radioaktiivista ainetta riittävät myös antamaan energiaa itsevalaiseviin pintoihin joissain pimeässä näkyvissä kylteissä sekä mittaristojen, kompassien tai kellojen viisareissa yms. Luonnossa radioaktiivinen hajoaminen on maan sisäisen lämmön lähde ja siten muun muassa tulivuorten ja kuumien lähteiden voimanlähde. Tätä kautta radioaktiivista hajoamista hyödynnetään geotermisessä energiassa esimerkiksi Islannissa ja Japanissa.Sneve, M.: What is an RTG?, IAEA Bulletin Volume 48, no. 1 , Vienna, 9/2006.
Ydinvoiman historia
thumb|Ydinvoimaa käytettiin ensimmäisen kerran vuonna 1951, kun Idaho National Laboratoryn tutkijat sytyttivät neljä hehkulamppua EBR-1-reaktorin avulla.
Ensimmäiset vihjeet atomin sisällä tapahtuvista reaktioista saatiin vuonna 1896, kun Antoine Henri Becquerel havaitsi radioaktiivisuuden. Ytimen olemassaolosta saatiin viitteitä vuonna 1919, kun Ernest Rutherford altisti typpikaasun alfahiukkassäteilylle: osa hiukkasista törmäsi ja jäi typpiatomiin transmutatoiden eli muuttaen ne hapeksi. Reaktiossa atomi emittoi protonin, jonka myöhemmät tutkimukset osoittivat ydinhiukkaseksi. Toisen ydinhiukkasen, neutronin, löysi Sir James Chadwick vuonna 1932. Pian italialainen Enrico Fermi kollegoineen havaitsi, että uraaniin törmätessään hitaat neutronit synnyttävät kohteessa ainakin neljää erilaista ainetta. Vähän myöhemmin saksalaiset Otto Hahn ja Fritz Strassmann osoittivat yhteistyössä Lise Meitnerin kanssa, että reaktiossa uraaniatomit halkeavat. Keinotekoinen fissio oli keksitty.
Vuonna 1939 Fermi pakeni Italian fasisteja Yhdysvaltoihin; Niels Bohr puolestaan pakeni saksalaisten miehitystä Tanskasta. He aloittivat yhteistyön Columbian yliopistossa ja kehittivät energianlähteeksi käyvän ketjureaktion käsitteen. Energiakäytöstä tutkimuksen painopiste siirtyi kuitenkin nopeasti ydinaseen kehittämiseen. Vuonna 1940 alkoi Yhdysvaltain hallituksen Manhattan-projekti, jonka tavoitteena oli ydinaseen kehittäminen.
Vuonna 1942 Enrico Fermin johdolla rakennettiin ensimmäinen kokeellinen ydinreaktori Chicagon yliopistoon. Tämä oli ensimmäinen kerta maailmanhistoriassa, kun ihminen toteutti hallitun fissioiden ketjureaktion. Vuotta myöhemmin Oak Ridgessä kokeiltiin plutoniumin tuotantoon tarkoitettua reaktoria, ja jo vuoteen 1945 mennessä Hanfordissa oli käynnissä kolme täysimittaista reaktoria.
pienoiskuva|Aloitettujen ydinreaktorien rakennusprojektien lukumäärä vuosittain. Vilkkainta ydinvoimarakentaminen oli 1970-luvulla.
Toisen maailmansodan päätyttyä atomiytimen energian hyödyntäminen oli kaksijakoista: toisaalta ydinaseiden tuhovoima ja määrä kasvoivat nopeasti, mutta toisaalta myös ydinvoiman, säteilyn ja radioaktiivisuuden rauhanomainen hyödyntäminen lisääntyi monissa käyttökohteissa kuten lääketieteessä, tutkimuksessa, energiantuotannossa, merenkulussa, maanviljelyssä ja avaruustutkimuksessa. Ensimmäinen sähköntuotantoon tarkoitettu ydinreaktori saavutti kriittisyyden 27. kesäkuuta 1954 Neuvostoliitossa, Obninskissa lähellä Moskovaa. Vuonna 1956 Calder Hallissa, Englannissa aloitti toimintansa ensimmäinen kaupallinen ydinvoimalaitos. Vuonna 1957 aloitti toimintansa ensimmäinen ydinvoimalaitos Yhdysvalloissa Shippingportissa. 1950-luvun jälkeen ydinvoimaloiden määrä on kasvanut huomattavasti. Vuoteen 1964 mennessä maailmassa oli 14 reaktoria kytkettynä sähköverkkoon, vuonna 1970 81 reaktoria, vuonna 1975 jo 167, vuonna 1985 365 ja vuonna 1999 428.WNA: Country Briefings , Lontoo, 2007.
Ydinvoiman käyttö lang=fi|pienoiskuva|upright=1.3|Eri energianlähteiden osuudet maailman primäärienergian kulutuksesta vuonna 2015. lang=fi|pienoiskuva|upright=1.3|Eri energianlähteiden osuudet maailman sähköntuotannosta vuonna 2015.
Ydinvoimaa käytetään hyvin vaihtelevissa käyttötarkoituksissa voimalaitoksista sukellusveneisiin ja satelliiteista majakoihin. Ydinpolttoaineen suuri energiasisältö mahdollistaa toisaalta suurten energiamäärien tuottamisen pienillä materiaalivirroilla ja toisaalta sallii pitkäkestoisen energiantuotannon ilman tarvetta lisätä polttoainetta.
Vuonna 2024 ydinvoimalla tuotettiin 5,2 prosenttia maailman energiantuotannosta. Fossiilisilla polttoaineilla tuotettiin noin 87 prosenttia energiasta.
Maailman sähköntuotannosta ydinvoiman osuus oli 9 prosenttia vuonna 2024. Vielä 1990-luvulla ydinvoiman osuus oli noin 17 prosenttia. 2000-luvulla osuus on laskenut, koska maailman sähkönkulutus on kasvanut, mutta ydinvoimalla tuotetun sähkön määrä on pysynyt suunnilleen ennallaan. Kulutuksen kasvu on katettu hiilivoimalla, maakaasulla ja uusiutuvilla energiamuodoilla.
thumb|200px|NS Savannah. Ydinkäyttöiset laivat voivat toimia jopa koko käyttöikänsä alkuperäisellä polttoaineella. thumb|190px|Cassini-luotain. Avaruudessa hyödynnetään ydinparistoja silloin, kun auringonvalo ei riitä. thumb|200px|Aktaun vedenpuhdistuslaitos, tuottaa makeaa vettä merivedestä. thumb|170px|Triga-reaktori, jollaista käytetään muun muassa opetuksessa, sädehoidossa ja tutkimuksessa. thumb|190px|Prometheus-raketti. NASA suunnittelee ydinkäyttöisiä raketteja miehittämättömille ja miehitetyille avaruuslennoille.
Ydinvoima maailmalla + Suurimmat ydinvoiman tuottajamaat vuonna 2024. Maa Reaktorit Teho MW Sähköstä ydinvoimaa Yhdysvallat 94 96 952 18,2 % Kiina 57 55 320 4,5 % Ranska 57 63 000 67,3 % Venäjä 37 27 727 18,1 % Etelä-Korea 26 25 609 31,7 % Japani 14 12 631 10,0 % Kanada 19 13 744 13,4 % thumb|295px|right| Ydinvoiman käyttö maittain