Gegner der Kernenergie verweisen auf Risiken, die für die Umwelt entstehen. So ist eines der Hauptargumente, dass bei der Energiegewinnung durch Kernkraft die Sicherheit für die Umwelt und die Menschen nicht gewährleistet sei. Nukleare Unfälle der Vergangenheit haben radioaktive Strahlung hinterlassen. Bei der Katastrophe von Tschernobyl, dem bisher zweitgrößten Nuklearunfall der Geschichte nach dem in der Kerntechnischen Anlage Majak, seien riesige Landmengen für die nächsten Jahrhunderte unbenutzbar geworden. Außerdem habe der Unfall viele Menschenleben gefordert; teilweise werden Zahlen von weit über 10.000 Toten inklusive derer, bei denen die stark erhöhte Radioaktivität zum Tode führenden Krebs auslöste, genannt. So ermittelte die Ärztevereinigung IPPNW eine Anzahl von 50.000 bis 100.000 Toten und 540.000 bis 900.000 Invaliden bis zum Jahr 2006. Demgegenüber gibt die WHO in einer für das Tschernobyl-Forum erarbeiteten Studie die Zahl der bisher nachweislich durch das Unglück strahlenbedingt Verstorbenen mit nur 56 an (siehe Literaturzitate). Die eklatanten Unterschiede in den Opferzahlen gehen auf unterschiedliche Kriterien, ab wann atomare Verstrahlung als Todesursache festgestellt wird und welche Zeiträume untersucht wurden, zurück. Ausstiegsbefürworter verweisen auf die Gefahr, dass weitere ähnliche oder schlimmere Unfälle wie der in Tschernobyl passieren können.

Außerdem kritisieren sie die ökologischen Aspekte der Strahlung, ebenso den Brennstoffkreislauf, der durch den Kernbrennstoff hervorgerufen wird und die Beseitigung des radioaktiven Abfalls in Form von sogenannter Endlagerung. Sie warnen vor radioaktiver Strahlung und fordern eine Befolgung des Vorsorgeprinzips, nach dem Technologien solange abgelehnt werden, bis bewiesen werden kann, dass sie weder für die Gesundheit von Lebewesen noch für die Biosphäre größere Risiken mit sich bringen.

Weiter wird argumentiert, die Kernkraft sei zwar im Betrieb CO₂-frei, jedoch bei Betrachtung der gesamten Produktionskette fielen erhebliche Emissionen an; darüber hinaus wird über die Bedeutung bei der Erderwärmung von Krypton 85 diskutiert.

Plutonium, das in Brennstäben enthalten ist, wird in der französischen Wiederaufarbeitungsanlage La Hague und im britischen Sellafield gewonnen. Bei diesem Verfahren wurden in der Vergangenheit große Mengen von radioaktivem Abfall ins Meer abgeladen. Dieses Verfahren der Beseitigung auf dem Meeresboden wurde zwischenzeitlich verboten.

Weitere Kritikpunkte betreffen die Uranvorkommen und deren Förderung: Die weltweiten Uranvorkommen sind begrenzt. Weiter sei der Abbau des Urans in der Vergangenheit und heute teilweise mit verheerenden Auswirkungen für die Umwelt und die dort lebenden Menschen verbunden: So seien beispielsweise in Australien Aborigines in der Nähe von Uran-Abbaustätten auffällig häufig von Krebs betroffen.. Auch der Uranabbau in Deutschland (in der ehemaligen DDR; zur Wiedervereinigung 1990 eingestellt) führte beispielsweise zu Berichten und Prozessen von ehemaligen Minenarbeitern, die erkrankt waren.

Es scheint auch direkte negative Auswirkung auf die Gesundheit in Nähe von Atomkraftwerken Lebender zu geben. Eine Studie des Bundesamtes für Strahlenschutz aus dem Jahr 2007 belegt ein signifikant höheres Risiko an Leukämie zu erkranken für Kinder, die weniger als fünf Kilometer von einem Kernkraftwerk entfernt aufwachsen.

Einige Atomkraftgegner halten Kernenergie außerdem für unwirtschaftlich, weil ihrer Meinung nach bei Einbeziehung aller staatlicher Sicherungsmaßnahmen und Entsorgungsaufwände die hohen Kapitalkosten durch die niedrigen Brennstoffkosten nicht aufgewogen werden können. Der Autor Jeffrey Paine ist der Meinung, dass „selbst unter den günstigsten Bedingungen (bei denen die Kosten auf ein Minimum reduziert werden und die Einnahmen erheblich zunehmen), das jetzige Potential, das in der Kernenergie steckt, während seines gesamten Bestehens im besten Fall wirtschaftlich gering sein dürfte.“

Außerdem werden Kernkraftwerke ausschließlich von privaten Versicherungsgesellschaften abgesichert. Bis 2005 glaubte die US-amerikanische Bundesregierung, dass die Versicherungskosten höchstens 300 Millionen US-Dollar betragen. Die Folgen eines schweren Nuklearunfalls könnten jedoch weitaus größer sein. Deshalb betreiben einige Regierungen eine vorsorgliche Unterstützung von Versicherungen; ein Beispiel hierfür ist der in den USA verabschiedete Price-Anderson Nuclear Industries Indemnity Act. Diese Praxis ist der von Banken sehr ähnlich, die ebenso durch Rückerstattungsgarantien der Regierung unterstützt wird.

Seit 1957 ist der Price-Anderson Nuclear Industries Indemnity Act das erste umfassende Haftungsgesetz und beschäftigt sich vor allem mit der Frage nach der Haftung für Atomunfälle. Er wird alle zehn Jahre erneuert und von beiden großen Parteien unterstützt. Außerdem braucht er individuelle Akteure, die für einen Plan für zwei Versicherungsebenen zuständig sind:

1. Die erste Ebene befindet sich dort, wo jeder nukleare Aspekt dazu verpflichtet, 300 Millionen US-Dollar Behandlung von privaten Versicherern zu erwerben.
2. Die zweite Ebene wird von allen Betreibern der US-Reaktoren gemeinsam zur Verfügung gestellt: Diese Ebene wird durch eine Rückzahlung finanziert, die bis zu 96 Millionen Dollar pro Reaktor, die durch jährliche Ratenzahlung von insgesamt 15 Millionen Dollar zusammengetragen werden, ebenso werden sie gegebenenfalls an die durch die Inflation hervorgerufenen Veränderungen angepasst.

Insgesamt kommt der Vorrat auf einen Betrag von mehr als zehn Milliarden Dollar, die für die Leistungen der öffentlichen Versorgungsbetriebe bezahlt werden müssen (das amerikanische Energieministerium stellt hierbei allein 9,5 Milliarden Dollar zur Verfügung, um seine Atompolitik fortzuführen). Über diese Berichterstattung hinaus und ohne Rücksicht auf mögliche Schuld muss der amerikanische Kongress als Versicherungsvertreter des letzten Auswegs entscheiden, wie der Schadensersatz finanziert wird.

Die langfristige Aufbewahrung radioaktiver Abfälle ist ein mit der Kernenergie zusammenhängendes Problem, das bisher noch nicht gelöst wurde. Insbesondere für den hochradioaktiven Teil des Abfalls existieren noch keine technischen Vorkehrungen, die gewährleisten, dass über viele Jahrtausende kein Kontakt mit der Biosphäre erfolgt. Mehrere Länder haben in Erwägung gezogen, unterirdische Endlager zu verwenden. In Deutschland werden abgebrannte Brennelemente seit der Kündigung der Verträge mit französischen und englischen Wiederaufarbeitungsanlagen vorläufig in Zwischenlagern an den Kraftwerksstandorten gelagert. Die bei der Wiederaufbereitung angefallen hochradioaktiven Stoffe werden nach und nach ins überirdische Zwischenlager Gorleben transportiert. Die Eignung des dort gelegenen Salzstocks als Endlager ist Gegenstand von geologischen Untersuchungen.

In einigen Ländern wurde nicht festgelegt, wer die Überwachung derjenigen Gebiete bezahlt, in denen der Atommüll gelagert wird. In Deutschland sind die Betreiber von Kernkraftwerken verpflichtet, für die Kosten aufzukommen, die durch den Abfall in Form von Brennstäben sowie kontaminierten und aktivierten Materialien entstehen. Hierunter fallen alle Kosten für die Behandlung, Zwischenlagerung und Endlagerung der Abfälle. Die Betreiber von Kernkraftwerken müssen hierfür laufend Rückstellungen bilden. In den USA zahlen die Betreiber eine festgesetzte Gebühr pro Kilowattstunde in einen Entsorgungsfonds, der vom amerikanischen Energieministerium verwaltet wird.

In Großbritannien hat dieses Thema im April 2005 zur Gründung der sogenannte Nuclear Decommissioning Authority geführt.

Ein weiteres Argument gegen Kernkraft zielt darauf ab, dass die zivile und die militärische Nutzung zwar organisatorisch getrennt werden kann, jedoch das Potential vorhanden ist, diese miteinander zu verbinden. Während der Herstellung nuklearer Brennstäbe muss der Bruchteil des spaltbaren Uran-Isotops 235 (außer in CANDU-Reaktoren) vom natürlichen Anteil von 0,7 % auf etwa 4 % erhöht werden, damit es in der Lage ist, eine Kettenreaktion hervorzurufen. Kernkraftgegner befürchten, dass Anlagen zur Anreicherung von Uran jederzeit so umgebaut werden könnten, dass man dort waffenfähiges Uran mit etwa 80 % Uran-235-Gehalt produzieren könnte. Die in Wiederaufarbeitungsanlagen eingesetzten Techniken eignen sich prinzipiell auch zur Gewinnung von Plutonium aus abgebrannten Brennstäben.

Gegner der Kernkraft argumentieren, dass es nicht möglich sei, zivile und militärische Nutzung auseinanderzuhalten. Daher würde die Kernenergie zur Verbreitung von Kernwaffen beitragen. Auch wenn es möglich ist, ein Kernkraftwerk ohne jegliche Waffenarsenale zu betreiben, bringt allein ein Kernreaktor die Möglichkeit mit sich, dass der Zugang zu den entsprechenden Materialien und Anlagen für spezielle militärische Niedrigverbrennungsreaktoren verwendet werden können und dass Plutonium wiederaufbereitet werden kann, das wiederum als Bestandteil für den Bau effektiver Kernwaffen benötigt wird. Indien, Nordkorea und Südafrika begannen zivile Atomprogramme mit speziellen Forschungsreaktoren. Ob diese später benutzt wurden, um solches Plutonium herzustellen, das waffentauglich ist, oder ob hierfür eigene militärische Anlagen gebaut wurden, ist umstritten. Während Südafrika seine Kernwaffen zwischenzeitlich aufgab, besteht insbesondere beim Iran die Befürchtung, dass dessen Atomprogramm ein ähnliches Ziel verfolgt, um waffentaugliches Uran anzureichern. Der Iran sowie Israel besitzen in jüngster Zeit keine Kernkraftwerke zur kommerziellen Energiegewinnung. Südafrika nahm sein bisher einziges kommerzielles Kernkraftwerk in Betrieb, lange nachdem es Kernwaffen erworben hatte. Indien betreibt eines der weltgrößten zivilen Bauprogramme für Kernkraftwerke.

Kernkraftgegner, aber auch Sicherheitsexperten befürchten zudem den Bau „schmutziger Bomben“ durch Terroristen, für die das für Kernkraftwerke angereicherte Uran oder beliebige radioaktive Abfälle ausreichen würden.

Weitere Argumente für einen Atomausstieg, die von Atomgegnern genannt werden, sind der höhere Druck zum Umstieg auf Erneuerbare Energiequellen und die sich ergebende verstärkte Dezentralisierung der Stromerzeugung, die für stärkeren Wettbewerb am Strommarkt sorgen soll. Ebenso biete ein Atomausstieg Potential für die Schaffung neuer Arbeitsplätze durch Neuinvestitionen in konventionelle Energien, alternative Energien und Energieeinsparungen.

Befürworter des weiteren Betriebs der Kernkraftwerke argumentieren vor dem Hintergrund der abnehmenden Reserven an Erdöl und der globalen Erwärmung für einen „Ausstieg aus dem Ausstieg“ der Nutzung der Kernenergie. Aus Sicht der Befürworter der weiteren und verstärkten Nutzung der Kernenergie stehe der Ausstieg im Widerspruch zum Ziel der Senkung des Ausstoßes an Treibhausgasen.

Bei dem Betrieb von Kernkraftwerken werde – im Gegensatz Kohle- bzw. Dampfkraftwerken, die Strom durch die Verbrennung von fossilen Energieträgern erzeugen – kein CO₂ ausgestoßen (allerdings dafür andere Treibhausgase, die Rechnung bezieht sich auch nur auf den Betrieb und nicht auf die gesamte Produktionskette).

Deutschland hat den Ausstieg mit einer Eigeninitiative für erneuerbare Energie verknüpft. Laut dem ehemaligen Bundesumweltminister Jürgen Trittin soll der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid im Jahr 2020 verglichen mit 1990 um 40 % reduziert werden. Deutschland gehört inzwischen zu den führenden Nationen, welche die Vorgaben des Kyoto-Protokolls erfüllen wollen.

Da die Möglichkeiten für den wirtschaftlichen Ausbau klimaverträglicher erneuerbarer Energien begrenzt seien, stellen Kritiker des Atomausstiegs infrage, dass ein umweltverträglicher Ersatz für den ausfallenden durch Kernenergie erzeugten Strom geschaffen werden könne. Als besonders ungünstiges Szenario wird befürchtet, dass Deutschland aufgrund unzureichender eigener Kraftwerkskapazitäten verstärkt Strom, dessen Erzeugung unter Umständen nicht deutschen Umweltstandards genügt oder im Extremfall aus ausländischen Kernkraftwerken (insbesondere aus Frankreich) stammen könnte, importieren müsse.

Derzeit werden in Deutschland neue Kohlekraftwerke mit einem herkömmlichen Anlagen gegenüber geringeren CO₂-Ausstoß gebaut. Sofern solche modernen Kohlekraftwerke ältere Kraftwerke mit schlechterem Wirkungsgrad ersetzen, ergibt sich eine Reduzierung der Treibhausgasbelastung. Sofern jedoch Kernkraftwerke ersetzt werden, ergibt sich eine Erhöhung der Treibhausgasbelastung.

Kernkraftbefürworter argumentieren, in einigen Ländern könne es keine durchführbare Alternative aufgrund fehlender eigener Bodenschätze geben. Gegner des Ausstiegs argumentieren, dass der Energieverlust, der durch die Abschaltung der Kernkraftwerke entstünde, nicht ausgeglichen werden könnte. Das würde durch das Zusammenwirken einer steigenden Nachfrage und einer stagnierenden oder sinkenden Förderung von fossilen Energieträgern wie Erdöl zu einer Energiekrise und starken Preisanstiegen führen. Nur Kohle könne Kernenergie ersetzen, was wiederum zur Folge hätte, dass die CO₂-Ausstöße enorm zunehmen würden oder dass Energieimporte zunehmen müssten. Eine Energiekrise durch ein Sinken der Erdölförderung könnte zum Beispiel durch Kohleverflüssigung mit Hilfe von Kugelhaufenreaktoren umgangen werden.

Die Kernenergie ist von Embargos bisher unberührt geblieben, da Uran von westlichen Ländern wie Australien oder Kanada gefördert wird, im Gegensatz zu Erdgas, zu dessen Hauptlieferanten unter anderem Staaten wie Russland zählen.

Außerdem besitze die Kernkraft bei Energieinvestitionen eine große Rückkehrgarantie. Bei einer Untersuchung einer Kreislaufanalyse werden vier oder fünf Monate zur Energieherstellung aus einem Kernkraftwerk benötigt, um die anfängliche Energieinvestition zurückzahlen zu können. Befürworter behaupten darüber hinaus, dass es möglich sei, die Anzahl der Kernkraftwerke sehr rasch zu erhöhen. Neue typische Entwürfe von Reaktoren benötigen demnach eine Bauzeit von drei bis vier Jahren. Die Uranvorkommen mögen begrenzt sein, doch kann in Kugelhaufenreaktoren auch das häufiger vorkommende Thorium eingesetzt werden.

Ein weiteres Argument der Kernkraftbefürworter ist die Energiewirtschaft. Deren Argumente bekommen vor allem in Zeiten, in denen die Preise fossiler Energie steigen, neuen Aufschwung. Die Kernkraftbefürworter vertreten den Standpunkt, dass die Kernkraft die einzige Energiequelle sei, welche die geschätzten Kosten für die Abfalleindämmung deutlich einkalkuliere und dass die besagten Kosten der fossilen Energiekraftwerke deshalb vergleichsweise hoch seien. Außerdem argumentieren sie, dass die Kernenergie ebenso in Sachen Kosten ein wettbewerbsfähiger und umweltfreundlicher Weg sei, um Energie zu produzieren, gerade wenn im Vergleich zu fossiler Energie die indirekten Kosten, die bei der Energieherstellung entstehen, mit berücksichtigt werden.

So sei Kernenergie deshalb billiger, da Steinkohlebergwerke weit weg von Kohlekraftwerken seien, ähnlich verhalte es sich mit Gas und Öl. Das Kyoto-Protokoll verpflichtet alle Umweltverschmutzer dazu, für die von ihnen verursachte Verschmutzung zu bezahlen, und das trage dazu bei, dass Kernenergie konkurrenzfähig sei. Außerdem habe sie nur sehr geringe Außenkosten, also Kosten, welche die Umwelt und die Menschen beträfen.

Außerdem sei der Beschluss, den Betrieb von KKW vorzeitig zu beenden, mit hohen Gewinneinbußen verbunden. Grund dafür ist, dass sowohl der Bau als auch der Abriss von KKW mit hohen Kosten verbunden sind, der nukleare Brennstoff für den laufenden Betrieb dagegen vergleichsweise günstig ist, gerechnet auch im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken. Bei einer Laufzeit von 40 Jahren machen die Brennstoffkosten (Uran) nur 5 % der Gesamtkosten aus. Damit amortisiert sich der Betrieb von KKW für den Betreiber erst über lange Zeiträume. Allerdings sind staatliche, volkswirtschaftliche und andere versteckte Kosten für oder wider einen Ausstieg in diesen Rechnungen aus Sicht von Kernkraftgegnern zu Unrecht nicht enthalten.

Laut dem Atomindustrie-nahen „Informationskreis Kernenergie“ haben die Brennstoffkosten der Kernkraftwerke einen Anteil von etwa 20 % an den Stromerzeugungskosten (Kapitalkosten rund 50 %, Betriebskosten etwa 16 %).

Kernkraftbefürworter vertreten die Meinung, dass die Kernkraftwerke sicher und gegen Angriffe geschützt seien. So würden insbesondere die Containment-Gebäude der Kernkraftwerke nach besonders hohen Sicherheitsstandards gebaut und sehr streng bewacht. Dies ist auch durch offizielle Tests der IAEO nachgewiesen.

Die Befürworter argumentieren, dass der Unfall von Tschernobyl einmalig gewesen sei und sich nur durch das Zusammentreffen spezieller Umstände ereignen konnte.