核电站的高效与危险曾令人非常纠结，但聪明的人们很快发现，不得不纠结的事情还包括把核能作为动力。核能能量密度非常高，如果以核能为动力，意味着可以实现更强大的推动力或者超强的续航能力。这种极为强烈的诱惑使人们迫不及待地将核反应堆安装到了舰艇上面。
1955年，史上第一艘核动力潜艇鹦鹉螺号开始首次航行，并发出一条载入史册的电讯“核力驱动行进”（UnderwayonNuclearPower。它的命名是为了纪念儒勒·凡尔纳小说《海底两万里》中的鹦鹉螺号潜艇和第二次世界大战时期，美国一艘具有传奇命运的同名潜艇。鹦鹉螺号核潜艇长97．5米，宽8．4米，总重2800吨。由于采用了核能动力，它可在50天内连续在水下航行30000千米而不必中途添加任何燃料。
鹦鹉螺号核潜艇的成功建造，激起了美国海军对核动力的更大兴趣，并立刻开始了水上核动力战舰的研制。1964年下半年，美国海军以长滩号巡洋舰、企业号核动力航母、班布里奇号驱逐舰组成了全核舰艇编队，并进行了一次航程为31000海里的环球航行，历时64天的旅途中没有进行任何燃料补给，这次航行震动了整个世界。
但是核动力系统高昂的成本让一般国家望而却步。企业号航母造价在当时是4．5亿美元，而大小相同的常规航母造价只要2．6亿美元。美国海军原计划建造6艘企业级航空母舰，面对如此巨大的成本差距，也只有无奈地放弃其余订单，这使企业号成为该型航母唯一成品。早期核动力系统的体积也是阻碍核动力普及的一大痛点，核动力系统本质上仍是蒸汽动力装置，只是用核反应堆代替了燃油锅炉充当蒸汽源。核动力系统的蒸汽源除了蒸汽供应量充足以外，对传统蒸汽系统没有任何改善，反而增加了系统的复杂性，占用空间进一步扩大，迫使军舰增加更多的维护人员。在鹦鹉螺号核潜艇中整个核动力装置占据了艇身一半左右的空间，企业号核动力航母则夸张地安装了八个核反应堆，这种空间上的劣势使绝大部分中小型舰船只能对核动力望而却步。
核能极高的能量密度始终不停地诱惑着人们，1千克235U裂变后释放的能量与2000吨重油燃烧放出的热量基本相当。这意味着1万吨燃油的备用燃料，只不过相当于核动力航母的5千克235U而已。同时，普通蒸汽动力系统功率有限，如果频繁使用蒸汽弹射系统供飞机起飞，将会使蒸汽系统动力性能快速下降，对整个编队的机动性造成不利影响。所以，降低核动力系统的体积和成本成为核能工程最迫切的需求。
经过一段时间的技术积累，核能动力系统在体积和成本两方面都得到极大改善，已完全可以满足航母和潜艇的升级需求。各大国已累计建造了数百艘核潜艇和十几艘核动力航母，仅美国就拥有现役大型核动力航母11艘。
核动力系统在舰船上的应用已经非常成熟，但其原理仍然是以蒸汽轮机为基础，远未发挥出核能作为动力的潜力。事实上，核能的应用完全可以拓展到更广阔的领域。早在1958年福特公司就设计了核动力概念汽车，当时核动力系统占据了汽车一半体积，2009年凯迪拉克推出的新款钍燃料核动力概念车，其设计者宣称该款车用到的所有东西都可以在不用任何维护的情况下维持100年。由于汽车与人们日常生活联系过于紧密，出于安全考虑，核动力系统向汽车领域移植可能尚需时日，但在宇宙航行及航天飞行方面，核能动力的优势无与伦比。
在宇宙航行过程中，核能可通过至少三种方式转化为动力。第一种是利用核反应释放的热量加热所携带的动力介质，使其气化并高速喷射以产生巨大反冲力，该方式简单易行，但需携带大量介质，一定程度上削弱了核能高能量密度的优势。第二种是核脉冲火箭方式，即飞船携带若干低当量核弹，需动力时在后方引爆一颗，以安全方式吸收爆炸冲击力转化为前行动力，该方案虽经验证可行但较为激进，缺点在于会造成航路核污染，不适用于近地区域。第三种是利用核反应产生的高能粒子作为推进剂，借助大型磁场控制粒子方向，该方式效率极高，但需满足推进剂数量的供给要求，仍有待详细的设计论证。
一直以来，核能作为动力源需重点解决小型化问题，只有充分实现小型化，才能拓展其在更多领域的应用。核动力率先应用于舰船，正是因其能够提供充足空间容纳庞大的动力系统。而核动力系统的小型化探索从未停止，部分低功率应用早已问世，例如核动力心脏起搏器，五十年前即被研制成功并植入患者体内，20世纪末的长期临床随访研究证实了其可靠性——既未因放射性泄漏损害患者健康，也未因失效导致患者接受二次植入。随着核能技术的持续进步，配备核能动力系统的灯塔、飞机、导弹、火箭、宇宙飞船及人造卫星等逐渐进入公众视野，核能正从战争武器转变为一种具备超强续航能力的高效新能源。