De kern van de zon bevat een grote hoeveelheid waterstof (H). Waterstof bestaat uit één proton en één elektron. In de zon is dit waterstof geïoniseerd en bewegen de protonen en elektronen onafhankelijk van elkaar.

Water kent ook enkele isotopen, dat zijn atomen die eenzelfde aantal protonen hebben maar een verschillend aantal neutronen. Zo heb je het gewone waterstof zonder neutronen, deuterium is waterstof met één neutron en tritium is waterstof met twee neutronen.

Voor de kernfusie zijn voornamelijk de protonen van belang, we spreken dan ook verder van het 'protonen-gas', dit is dus de verzameling van de protonen die zich gedragen als een gas.

Helium bestaat uit een kern van 2 protonen en 2 neutronen. Belangrijk hierbij is dat helium als isotoop kan voorkomen, er kunnen namelijk ook maar één of zelfs geen neutronen aanwezig zijn in de kern. Opnieuw zullen bij hoge temperaturen de heliumatomen geïoniseerd zijn.

De kern bestaat uit twee protonen (en neutronen), deze protonen zijn allebei positief geladen. Men zou dus verwachten dat deze niet gebonden kunnen zijn, ze stoten elkaar elektrostatisch af?

Om kernfusie beter te begrijpen bekijken we welke kracht ervoor zorgt dat de neutronen en protonen samenblijven in de kern van een atoom.

In de natuurkunde wordt er vaak met een model gewerkt. Een model is een benadering van de werkelijkheid en tracht de natuur zo goed mogelijk te beschrijven. Het standaardmodel is een bekend model dat tracht te beschrijven waaruit materie bestaat. Hierin wordt gesteld dat er maar vier verschillende krachten bestaan. Deze worden de vier elementaire krachten genoemd. Deze vier elementaire krachten zijn de elektromagnetische kracht, de sterke kracht, de zwakke kracht en de zwaartekracht.

De elektrostatische afstoting van de twee protonen is een gevolg van de elektromagnetische kracht. De sterke kracht treedt ook op in de kern en zorgt ervoor dat de protonen (en neutronen) toch bij elkaar blijven. Het is dankzij deze sterke kracht dat atoomkernen kunnen bestaan.

Wanneer twee kernen fuseren vormen deze een zwaardere kern. De energie die je hierbij wint, kan berekend worden door het verschil te nemen van de finale energie en de initiële energie. Aangezien het totaal aantal nucleonen gelijk is bij de startkernen en de eindkern, is het energieverschil louter en alleen te wijten aan het verschil van de bindingsenergie.

Dit is echter een benadering, want het aantal nucleonen blijft dan wel hetzelfde maar sommige protonen worden omgezet naar neutronen (en vice versa). Het vergt extra energie om een proton om te zetten naar een neutron. Omgekeerd komt er energie vrij wanneer een neutron wordt omgezet naar een proton.

De vrijgekomen energie bij de fusiereactie bestaat dan uit twee delen:

• Het verschil in bindingsenergie

• De energie die nodig is, of vrijkomt, om de nucleonen om te zetten.

In de fusieketting die hierboven is afgebeeld, kun je zien dat er ook neutronen worden gecreëerd (groene bollen). Deze ontstaan door een subatomaire reactie waarbij een proton wordt omgezet in een neutron. Hierbij komen nog een aantal (rest)deeltjes vrij die verder niet van belang zijn voor de energieproductie. De reactie waarbij een proton naar een neutron transformeert, vergt energie. Dat deze reactie energie vergt, kun je begrijpen als je weet dat de massa van een proton lager is dan de massa van de productie deeltjes; het neutron (de massa van de restdeeltjes is te verwaarlozen). Deze reactie staat bekend als bèta-plus-verval.

Je kan zien in de fusieketting hierboven dat enkel in de eerste stap er neutronen worden gemaakt. Het is dus ook enkel deze stap die energie vergt. Bij de daaropvolgende stappen komt er energie vrij. Wanneer de hele keten is doorlopen, is er netto (veel) energie vrijgekomen.