핵융합 에너지는 태양이 빛을 내는 원리와 같이 가벼운 원자핵이 결합할 때 방출되는 에너지를 이용하는 것으로, 탄소 배출이 없고 연료가 풍부한 차세대 청정 에너지원이다. 이를 지상에서 구현하기 위해서는 1억 도 이상의 초고온 플라즈마를 토카막과 같은 장치의 강한 자기장으로 안정적으로 가두어야 하며, 플라즈마의 난류 수송을 최소화하고 최적의 정상상태 운전 조건을 찾는 것이 핵심 과제이다. 핵융합 플라즈마에서는 나노초 단위의 RF 파동 반응, 마이크로초 단위의 MHD 불안정성, 밀리초 이하 단위의 난류 등 서로 다른 시간·공간 규모의 물리 현상이 동시에 일어나며, 규모가 겹치는 현상들은 서로 의존하므로 이들을 일관성 있게 다루는 다중규모·다중물리 (multi-scale multi-physics) 해석이 필요하다. 본 분야에서는 제1원리 물리에 대한 깊은 이해를 바탕으로 RF 파동을 이용한 플라즈마 가열 및 전류구동, MHD 평형 및 안정성 해석과 플라즈마 형상 최적화, 자이로운동론 기반의 난류·신고전·불순물 수송 및 내재 회전, 수송 시간 규모의 자기일관적 통합 모델링과 노심-주변부 연계 연구를 수행한다. 또한 병렬화 알고리즘, 머신러닝 기반 분석, 비선형 시스템 수치해법 등 첨단 계산 기법을 개발하고, 원자로 열수력 및 중성자 해석, 핵융합로 설계, 가속기용 자석 설계 등 원자력 공학 전반의 해석·설계 연구로 확장하고 있다. 최근에는 KSTAR, ITER 등 국내외 핵융합 장치의 운전과 핵융합 실증로 개발이 본격화됨에 따라, 이를 뒷받침하는 고정밀 통합 시뮬레이션 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다.

원자력 발전의 중요 관심사 중 하나인 안전성 문제는 원자력 발전소의 각 계통에서 일어나는 열수력 현상과 밀접한 관련을 지닌다. 이러한 원자로의 안전성은 유체역학, 열역학, 열전달, 이상유동 등과 같은 학문적 기반위에 실험 및 수치해석과 같은 실제적 도구를 사용하여 확보될 수 있다. 원자로 열수력학 분야는 열유체 시스템 및 다양한 열수력 현상에 대한 최신 공학기법을 바탕으로 원자력 발전소의 열수력 현상 분석과 실험 및 사고해석에 관한 연구를 수행한다. 특히 사고해석의 경우 설계기준사고 분석과 중대사고 분석으로 분류되는데, 중대사고 분석 및 관련 해석모델의 평가를 통해 규제기술 개발의 기반을 마련하고 있다. 최근에는 원자력 에너지 수요가 다양해지고 전산해석 코드기술이 발달함에 따라, 중소형 및 신형 원자로 설계를 위한 실증실험과 원자력 발전소 안전성 분석 연구가 활발히 수행되고 있다.

대중 및 환경을 보호하고 지속가능한 원자력의 이용을 위해서는 원자력의 안전을 최우선적으로 확보하여야 한다. 특히 2011년 후쿠시마 원자력발전소 사고 이후 원자로 안전성 확보 및 검증을 위한 원자력안전해석 분야는 크게 각광받고 있다. 원자력 안전해석 분야는 크게 원자로 안전성 해석, 열수력 학적 안전성 해석, 관련 기기 안전성 검증 등을 포함하는 결정론적 안전성 해석 분야와 발생 가능한 주요 사고 시나리오에 대한 발생 빈도와 이에 따른 영향을 분석하는 확률론적 안전성 해석 분야로 나누어진다. 최근에는 신형 원자로의 고유 안전성을 확보하기 위한 피동안전계통, 노심용융사고가 발생한 경우에라도 노심용융물의 환경 확산을 방지하기 위한 사고대처설비와 더불어 리스크 정보이용 규제 기술개발과 적용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

방사선계측 기술은 원자력발전, 방사선의료, 환경방사선 등 방사선 응용 기술 전반에 대한 핵심적인 요소로서 현대인의 안전한 생활환경 유지와 방사선의 혁신적인 이용을 선도하며 최첨단 기술 개발, 물리 및 화학 연구를 주도하는 기술이다. 이는 원자력발전소에서의 열중성자 계측, X-선 및 PET와같은 의료용 장비, 정밀 두께 측정 등 비파괴 시험 산업시설에 사용되고 있으며, 환경방사선 감시기술개발, 방사선 기술의 각종 산업 분야에의 적용, 각종 원자력 및 방사선 시설에 적용되는 검출시스템의 최적화 등이 주된 연구 분야이다. 최근에는 방사선 계측 기술이 기반이 되는 시설로, 건설 예정 중인 중이온 가속기 시설 내 장비에 대한 기술 적용과 4세대 원자력발전소 및 핵융합 연구에 필수요소로 자리 잡고 있는 중성자 정밀 계측 기술 개발이 주목받고 있다.

2011년 기준으로 국내 21기의 원자력발전소가 운영 중에 있고 방사선동위원소 및 방사선발생장치를 사용하는 기관의 수는 4,615 기관에 달하고 있으며, 이는 꾸준한 증가추세에 있다. 따라서 유익한 방사선 이용을 부당하게 제약하지 않으며 작업종사자 및 주민 그리고 환경을 적절히 보호하기 위한 방사선 안전 연구를 체계적으로 수행할 필요가 있다. 방사선 안전 분야에서는 방사성물질의 환경거동 평가, 방사선 작업종사자 및 일반인에 대한 내외부 피폭선량평가를 기반으로 하여 방사선 이용시설의 방사선 방호와 방사선 영향평가 등을 수행한다. 또한 국제 동향과 기준 등을 검토하여 국내 실정에 반영함으로써 합리적인 규제 기준을 마련하기 위한 노력을 기울이고 있다. 최근에는 ICRP 103 신권고가새로 발간됨에 따라 기존의 선량평가체계에 최신 데이터를 반영하여 선량평가를 수행하는 연구가 활발히 진행되고 있다