Amikor két proton összeütközése során az egyik proton belsejében bekövetkezik egy béta-bomlás, amitől neutronná alakul át, létejön egy ${}^2H$ vagy $D$ deutérium, más néven nehézhidrogén mag (deuteron). Vajon mi fog ezzel a deuteronnal ezután történni? Ki lesz a partnere egy újabb fúzióhoz? Két csoport van:
(1) A fúziós partner egy másik fajta atommag lesz
Mivel a csillagok magjában a leggyakoribb izotóp a könnyűhidrogén, ezért fúziós partnernek a másik fajta atommagok közül a \({}^1H\) a legesélyesebb.
A barna törpékben és a fősorozatbeli csillagokban a deutériumnak a ${}^1H$ hidrogénnel zajló fúziója termeli az energia egy jelentős részét:
(2) A fúziós partner egy másik deuteron lesz
Kissé félrevezető kifejezéssel azt is szokás erre mondani, hogy a deuteron "önmagával" fuzionál.
Azonban a
$${}^2H+{}^2H\to $$
fúzióhoz olyan körülmények kellenének, hogy ez az "önfúziós" folyamat legyen a legvalószínűbb az épp felmerülő összes fúziós reakciók közül. Ehhez az szükséges, hogy vagy egyáltalán ne is legyenek rivális fúziós folyamatok, ami "eleszik" a deutériumot, vagy ha vannak, akkor azoknak a valószínbűsége legyen kisebb, mint a ${}^2H+{}^2H\to $ folyamaté.
Van egy bökkenő. A csillagokban a deutérium koncentrációja mindig alacsony. Barna törékben azért, mert bennük nem termelődik deutérium a ${}^1H$ hidrogénből (ahogy a fősorozatbeli csillagokban már termelődik a pp-ciklusban), hanem csupán a kevéske primordiális deutérium van jelen, ami mindössze 0,01 tömeg% (vagyis az össztömeg 1/10.000-ed része). A fősorozatbeli csillagokban pedig azért kicsi a deutérium koncentrációja, mert bár folyamatosan termelődik a
$${}^1H+{}^1H\to {}^2H+e^++ν_e+1,4\ MeV$$
folyamatban, de nagyon gyorsan tovább is alakul, mivel deutériumnak a ${}^1H$ hidrogénnel zajló fúziója az összes fúziós folyamat közül a legalacsonyabb hőmérsékleten képes beindulni (neki már elég 1 millió K is), ezért például a Nap belsejében uralkodó 15,7 millió K-es hőmérsékleten nagyon könnyen, nagy valószínűséggel, azaz gyorsan lezajlik:
$${}^2H+{}^1H\to {}^3{He}+γ+5,49\ MeV$$
A fősorozati csillagokban a deutérium tehát a létrejötte után nagyon gyorsan tovább fuzionál könnyűhidrogénnel, így a koncentrációja igen alacsony: csak minden 1018 db ${}^1H$-ra jut egy ${}^2H$. A Napban a ${}^2H$-ok élete mindössze 1,6 másodpercig tart átlagosan, aztán a fenti reakcióval továbbalakulnak ${}^3He$-má. Ez 17 nagyságrenddel rövidebb, mint a ${}^1H$-ok élettartama.
Ezért a csillagokban nincs jelentősége a ${}^2H+{}^2H\to $ fúziónak, hanem csak a fúziós reaktorban kaphat majd szerepet.
Nézzük meg, milyen módon tudna a deutérium önmagával fuzionálni! Erre 3 lehetőség kínálkozik:
Két deuteron találkozásakor mindenképpen egy átmeneti, erősen gerjesztett ${}^4He$ mag jön létre. Az átmeneti mag azért lesz erősen gerjesztett, mert a ${}^4He$ magnak az egy nukleonra jutó átlagos kötési energiája kiugróan nagy abszolút értékű, azaz energetikai szempontból nagyon mély állapotot jelent a nukleonok számára, más szóval a ${}^4He$-ben a nukleonok egy erősen kötött állapotban vannak. A ${}^4He$ a létrejöttekor felszabaduló jelentős mennyiségű energiát nagyon rövid átmeneti ideig olyan módon hordozza, hogy az egyik nukleonját magasabb enegiájú pályára állítja, vagyis a ${}^4He$ a megszületésekor gerjesztett állapotba kerül. De ezt a jelentős mennyiségű fölös energiáját valahogyan le kell adnia. Ha a fenti 3 folyamat közül az első 2-t nézzük, azokban az átmeneti gerjesztett ${}^4He$ mag kilök egy nukleont (neutront illetve protont), és ez a kilökött részecske a mozgási energiája révén képes elvinni a fölös energiát. Természetesen a visszamaradó magnak a lendületmegmaradás miatt az ellentétes irányba, azaz "hátra" kell lökődnie, ezért az ő mozgási energiája is átveheti a fölös energia egy részét.
Amiatt lesz nagyon kicsi a 3. folyamat valószínűsége, mert a fotonkisugárzás az egy elektromágneses kölcsönhatás irányította reakció, szemben az első 2-vel, amikben az erős kölcsönhatás vezényli le a nukleon kilökését. Márpedig az elektromágneses kölcsönhatás erőssége 137-szer kisebb, mint az erős kölcsönhatásé. Ezért két deuteron fúziója után jóval nagyobb valószínűséggel jön létre ${}^3He$ és ${}^3H$, mint ${}^4He$.