Fuusio

Esimerkiksi heliumydin koostuu neljästä hiukkasesta, kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. Niiden yhteenlaskettu massa on hieman pienempi kuin neljän vety-ytimen (protonin) massa. Vety-ytimien fuusioituessa heliumiksi massaero muuttuu energiaksi Einsteinin kuuluisan kaavan E=mc² mukaisesti.

Energiaa vapautuu vain, jos fuusion tuloksena on raudan tai sitä kevyemmän alkuaineen ydin. Raskaampien ytimien tuottaminen sen sijaan kuluttaa energiaa. Raskaammat ytimet vapauttavat energiaa hajotessaan kevyemmiksi ytimiksi fissioreaktioissa. Tähän perustuvat ydinreaktorit, joissa uraaniatomit hajoavat kevyemmiksi ytimiksi.

Atomien ytimet koostuvat protoneista, joilla on positiivinen sähkövaraus, ja varauksettomista neutroneista. Ytimellä on siten positiivinen varaus. Positiivisesti varattujen ytimien välillä vaikuttaa sähköinen poistovoima, joka estää ytimiä yhtymästä normaaleissa olosuhteissa. Kun aine on hyvin kuumaa, ytimet liikkuvat nopeasti ja niiden liike-energia on niin suuri, että sähköinen poistovoima ei riitä estämään niiden törmäyksiä. Aineen on myös oltava riittävän tiheää, jotta pienet ytimet osuisivat toisiinsa. Tähtien sisällä vallitsee riittävän suuri kuumuus ja paine, jotta fuusioreaktiot voivat käynnistyä.

Maapallolla fuusioreaktiota on käytetty vetypommeissa. Hallittua fuusioreaktiota on tutkittu vuosikymmeniä, mutta toimivaa fuusioreaktoria ei ole vielä pystytty kehittämään. Reaktioon tarvittavien äärimmäisten olosuhteiden aikaansaaminen keinotekoisesti on osoittautunut tavattoman vaikeaksi tehtäväksi.

Tärkein tähtien fuusioreaktioista on neljän vetyatomin ytimen yhtyminen heliumiksi yli 10 miljoonan kelvinasteen lämpötilassa. Tässä reaktiossa noin 0.7 % aineesta muuttuu energiaksi eli noin 30 TJ/kg. Auringossa ja muissa pienehköissä tähdissä tavallisin fuusioreaktio on pp-ketju. Raskaammissa tähdissä vety voi fuusioitua heliumiksi myös CNO-syklin avulla.