Ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (10⁷- 10⁸ К), называются термоядерными реакциями. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой. В этих реакциях ядрам, испытывающим взаимное кулоновское отталкивание, удается, преодолев соответствующий электростатический барьер, сблизиться на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил притяжения и совершить ту или иную экзоэнергетическую (т. е. сопровождающуюся выделением энергии) ядерную перестройку. 

Под «выделением энергии» подразумевается выделение в продуктах реакции избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Таким образом, относительно рыхлые ядра перестраиваются в более прочно связанные, а поскольку ядра с наибольшей энергией связи на один нуклон находятся в средней части периодической системы Менделеева, то наиболее типичным механизмом экзоэнергетической реакции является слияние (синтез) легчайших ядер в более тяжелые. 

Ниже приведены несколько основных реакций слияния ядер и указаны для них значения энерговыделения Q. d означает дейтрон − ядро ²Н, t означает тритон − ядро ³Н.

d + d → ³He + n + 4.0 МэВ,

d + d → t + p + 3.25 МэВ,

t + d → ⁴He + n + 17.6 МэВ,

³He + d → ⁴He + p + 18.3 МэВ.

Термоядерные реакции во Вселенной

Термоядерные реакции в звездах являются основным источником энергии звезд и механизмом образования ядер химических элементов. Для нормальных звезд главным процессом является сгорание водорода и превращение его в гелий. Четыре протона через цепочку ядерных реакций превращаются в ядро гелия , два позитрона и два нейтрино c выделением энергии Q = 26, 73 МэB. Этот результат получается в водородном цикле (p,p) и в углеродно-азотном цикле (C,N):

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см³ и температуре 10⁷ К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (⁴Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. 

Углеродно-азотный цикл – последовательность термоядерных реакций в звездах с участием катализаторов, приводящая к образованию гелия из водорода. 

Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T ≈ 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (3α-реакция):

(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро ⁸Be).

Далее могут следовать реакции: ,

;

в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза – создание химических элементов.

Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро ²⁰Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра ¹²C, ¹³N, ¹³C, ¹⁴N, ¹⁵O, ¹⁵N заменяются соответствующими ядрами ²⁰Ne, ²¹Na, ²¹Ne, ²²Na, ²³Mg, ²³Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла (²¹Ne) может служить источником нейтронов (аналогичную роль может играть и ядро¹³C, участвующее в CN-цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами β-распада, является механизмом синтеза все более тяжелых ядер.

На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10^-7–10^-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2Н + ³Н  --> ⁴Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза.

Устройство для проведения термоядерных реакций – термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.

Типы термоядерных реакторов

К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживается за счет выделяющейся в плазме энергии. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры (Т ≈ 8 кэВ или 10⁸ К) расходуется энергия α-частиц (3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме.

К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.

Конструкции реакторов

1. Квазистационарные системы. Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию токамака.

Квазисимметричный стелларатор (токамак)

2. Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.
Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго. В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка. Магнитная ловушка призвана удерживать плазму от контакта с элементами термоядерного реактора, т.е. используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на вращении заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля. К сожалению, замагниченная плазма очень не стабильна и стремится покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются самые сверхмощныме электромагниты, потребляющее огромное количество энерги