Reakcje syntezy termojądrowej są odpowiedzialne za wytwarzanie energii przez gwiazdy. Procesy te zachodzą we wnętrzu (jądrach) gwiazd, gdzie temperatura i ciśnienie są na tyle duże, że możliwa jest synteza jąder pierwiastków lekkich. W zależności od rodzaju gwiazdy może mieć miejsce jeden z dwóch cykli przemian termojądrowych. Są to cykle: protonowo-protonowy oraz węglowo-azotowy.
Pierwszy z wymienionych cykli zachodzi w gwiazdach małej i średniej wielkości, takich jak np. Słońce. Cykl ten składa się z trzech etapów, których przebieg można przedstawić następująco:
\( ^{1} _{1} H+^{1} _{1}H \rightarrow ^{2} _{1}D+^{0} _{+1}e+\nu\)
\(^{2} _{1}D+^{1} _{1}H \rightarrow ^{3} _{1}He+ \gamma \)
\(^{3} _{2}He+^{3} _{2}He \rightarrow ^{4} _{2}He+2^{1} _{1}H\)
W wyniku syntezy dwóch jąder wodoru (protonów) powstaje deuter, pozyton oraz neutrino. Nowopowstałe jądro łączy się następnie z kolejnym protonem, co prowadzi do powstania jądra izotopu helu 3 oraz fotonu. W trzecim etapie dwa jądra helu 3 łączą się ze sobą, dając trwałe i nie podlegające dalszym przemianom jądro izotopu helu oraz dwa protony, które mogą brać udział w kolejnych reakcjach. Całkowita energia uzyskana podczas jednego cyklu protonowo-protonowego wynosi 26,7MeV i jest ona unoszona przez pozytony, neutrina oraz fotony.
Drugi cykl przemian termojądrowych zachodzi w gwiazdach o wysokich temperaturach i posiadających w swej budowie domieszki węgla. Proces ten składa się z sześciu etapów, które można zapisać w postaci:
\(^{12} _{6}C+^{1} _{1}H \rightarrow ^{13} _{7}N+ \gamma \)
\(^{13} _{7}N \rightarrow ^{13} _{6}C+^{0} _{+1}e+\nu\)
\(^{13} _{6}C+^{1} _{1}H \rightarrow ^{14} _{7}N+ \gamma \)
\(^{14} _{7}N+^{1} _{1}H \rightarrow ^{15} _{8}O+ \gamma \)
\(^{15} _{8}O \rightarrow ^{15} _{7}N+^{0} _{+1}e+\nu\)
\(^{15} _{7}N+^{1} _{1}H \rightarrow ^{12} _{6}C+^{4} _{2}He\)
Jak wynika z przedstawionych równań reakcji, końcowym produktem obydwu cykli jest stabilne jądro helu. W obydwu omówionych procesach uwalniana jest taka sama ilość energii, jednak w przypadku cyklu węglowo-azotowego jest ona unoszona przez większą liczbę cząstek.