Одним из фундаментальных типов термоядерных реакций, происходящих в звёздах с массой, сопоставимой или меньшей солнечной, является протон–протонный цикл (pp-цикл). Его роль особенно велика в Солнце, где температура в ядре достигает порядка 1, 5 ⋅ 107 К. Основной исходный процесс — столкновение двух протонов:
p + p → d + e+ + νe
Здесь образуется дейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Эта реакция имеет чрезвычайно малое сечение вследствие необходимости слабого взаимодействия (превращение протона в нейтрон), поэтому именно она определяет общую скорость энергетических процессов в Солнце.
Дальнейшие стадии включают:
d + p → 3 He + γ
3 He+3 He → 4 He + 2p
В результате цикла из четырёх протонов формируется одно ядро гелия-4, выделяется энергия порядка 26,7 МэВ, а также испускаются нейтрино, несущие часть энергии.
Существует несколько ветвей pp-цикла: ppI, ppII и ppIII, различающиеся промежуточными стадиями, но конечный результат всегда связан с образованием 4 He. Ветви ppII и ppIII становятся значимыми при температурах выше солнечных и включают промежуточное образование 7 Be и 8 B.
В звёздах, температура центральных областей которых превышает 2 ⋅ 107 К, основным источником энергии становится CNO-цикл. Здесь углерод, азот и кислород выступают в роли катализаторов, обеспечивающих преобразование водорода в гелий.
Основная последовательность реакций:
12 C + p → 13 N + γ
13 N → 13 C + e+ + νe
13 C + p → 14 N + γ
14 N + p → 15 O + γ
15 O → 15 N + e+ + νe
15 N + p → 12 C+4 He
В результате цикл замыкается: углерод возвращается в исходное состояние, а четыре протона трансформируются в одно ядро гелия-4. Энергетический выход аналогичен pp-циклу, но вероятность процессов в CNO сильно возрастает с увеличением температуры, что приводит к доминированию этого механизма в более массивных звёздах.
Для управляемого термоядерного синтеза на Земле особое значение имеют реакции с участием тяжёлых изотопов водорода — дейтерия (d) и трита (t). Наиболее перспективной является реакция:
d + t → 4 He + n + 17, 6 МэВ
Эта реакция обладает максимальным сечением при температурах порядка 108 К и даёт значительный выход энергии. Побочным продуктом является быстрый нейтрон с энергией 14,1 МэВ, что накладывает серьёзные требования к материалам реактора.
Другие возможные реакции:
d + d → t + p + 4, 0 МэВ
d + d → 3 He + n + 3, 3 МэВ
Эти процессы имеют меньшее сечение, но обеспечивают образование как трития, так и 3 He, что делает их важными в схемах реакторов с замкнутым топливным циклом.
d+3 He → 4 He + p + 18, 3 МэВ
Эта реакция является более «чистой», так как не сопровождается нейтронным излучением, однако требует ещё более высоких температур для эффективного протекания.
Изотоп 3 He представляет интерес для перспективных реакторов будущего, так как взаимодействие с дейтерием или с самим собой позволяет получать энергию с минимальной нейтронной нагрузкой.
Основные реакции:
3 He+3 He → 4 He + 2p
3 He + d → 4 He + p
Такие реакции предполагают создание практически «чистых» термоядерных источников энергии. Однако дефицит 3 He в природе и сложности его производства делают задачу крайне сложной.
Помимо классических схем, рассматриваются реакции с участием более тяжёлых ядер, например:
p+11 B → 3α + 8, 7 МэВ
Эта протон–борная реакция примечательна отсутствием нейтронов среди продуктов, что уменьшает радиационное облучение конструкций реактора. Однако для её эффективного протекания требуется температура свыше 109 К, что на сегодняшний день выходит за рамки практической реализации.
Другие реакции, такие как 6 Li + d, 6 Li + t, также представляют теоретический интерес в рамках разработки топливных циклов.