Synteza jądrowa (inaczej reakcja termojądrowa lub fuzja jądrowa) to reakcja jąder, polegająca na łączeniu dwóch lekkich jąder atomowych w cięższe jądra, z wydzieleniem ogromnych ilości energii. Reakcje termojądrowe mogą zachodzić jedynie w bardzo wysokiej temperaturze i przy wysokim ciśnieniu. Szacuje się, że potrzebna byłaby temperatura rzędu kilkudziesięciu milionów stopni, czyli więcej, niż gdziekolwiek na ziemi. Uzyskanie jej jest możliwe przez zastosowanie podobnego mechanizmu, jaki tworzy gwiazdy: poprzez ściśnięcie atomów wodory pod bardzo dużym ciśnieniem aż do uzyskania stosownej temperatury. W wyniku fuzji mogą powstawać obok nowych jąder też wolne neutrony, protony, cząstki elementarne i cząstki alfa. Reakcja syntezy będzie miała miejsce wtedy, kiedy dwa jądra zbliżą się do siebie na odległość działania sił jądrowych, dzięki którym połączą się w jedno cięższe jądro o większej energii wiązania przypadającej na jeden nukleon. Aby to się stało, jądra biorące udział w reakcji muszą pokonać siły elektrycznego odpychania, które rosną w miarę zbliżania się jąder do siebie. Do tego potrzebna im jest bardzo duża energia. Wysoką energię jąder uzyskuje się w bardzo wysokich temperaturach lub rozpędzając jądra w akceleratorach cząstek - urządzeniach służących do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła. W wyniku reakcji egzotermicznej wydzielona energia (w postaci energii kinetycznej produktów i promieniowania gamma), zostaje rozproszona na otaczających atomach i przekształca się na energię cieplną. Energię wydzielającą się podczas reakcji można wyznaczyć bez przeprowadzania reakcji na podstawie deficytu masy, czyli różnicy mas składników i produktów reakcji. Reakcja termojądrowa jest głównym, poza energią grawitacyjną, źródłem energii gwiazd.

Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych wywołane ich oddziaływaniem wzajemnym w odległości odpowiadającej zasięgowi sił jądrowych bądź też ich oddziaływaniem z cząstkami elementarnymi lub fotonami. W ich wyniku powstają jądra atomowe innych pierwiastków, innych izotopów tego samego pierwiastka lub jądra tego samego izotopu danego pierwiastka w innym stanie energetycznym. Oddziaływania jądrowe prowadzące do reakcji jądrowych nazywane są często zderzeniami. Inaczej reakcją jądrową nazywamy taką reakcję, w czasie której bombardujemy jądro atomowe cząstką o dużej energii i wywołujemy zmianę jego własności, bądź rodzaju. Do bombardowania wykorzystać można np. cząstki alfa, protony czy neutrony.

Reakcje jądrowe można podzielić na: • reakcje syntezy, w których z jąder lżejszych powstają jądra o większej liczbie atomowej lub masowej • reakcje rozpadu, gdy liczby atomowe lub masowe produktów reakcji są mniejsze niż substratów.

Przebieg reakcji jądrowej: Cząstka bombardująca ulega pochłonięciu przez początkowe jądro atomowe, co powoduje powstanie jądra przejściowego, które ulega przemianie do jądra końcowego. Proces ten można opisać równaniem:

Aby wywołać reakcję jądrową należy zderzyć np. cząstkę alfa z jądrem atomowym. W tym celu trzeba pokonać odpychanie elektrostatyczne (cząstka alfa i jądro mają ładunek dodatni). Im większe jądro, tym większy ma ładunek i tym szybciej musi poruszać się cząstka alfa, aby zbliżyła się na dostatecznie małą odległość by wywołać reakcję jądrową. Przebieg reakcji jądrowych zapisuje się w postaci równań, podobnie jak przebieg reakcji chemicznych. Po lewej stronie są jądra i cząstki wchodzące do reakcji jako substraty, po prawej zaś występują produkty reakcji, np.:

Reakcje jądrowe są procesami powszechnymi w naturze. Synteza jądrowa zachodzi np. na masową skalę we wnętrzach gwiazd. Reakcje rozszczepienia, najczęściej inicjowane neutronami tła promieniowania mają miejsce w skorupie ziemskiej i w całym otoczeniu człowieka, w którym w niewielkiej ilości występują izotopy promieniotwórcze, oraz w atmosferze Ziemi – głównie na skutek oddziaływania promieniowania kosmicznego. W niezbyt masywnych gwiazdach podstawową reakcją jest synteza jądra helu. Aby synteza nastąpiła, jądra wodoru (protony) muszą się zbliżyć na odległość zasięgu oddziaływania jądrowego. Protony odpychają się jednak elektrostatycznie, a zatem muszą pokonać barierę potencjału. Szereg procesów prowadzi do powstania izotopu helu, po którym następuje fuzja dwóch jąder helu:

Cykl prowadzący do otrzymania izotopu helu zwany jest cyklem wodorowym.

Reakcjami jądrowymi rządzą następujące prawa:

1. Zachowania ładunku elektrycznego - całkowita liczba protonów przed reakcją jest równa całkowitej liczbie protonów po reakcji.
2. Zachowania liczby nukleonów - całkowite liczby masowe przed i po reakcji są takie same.
3. Zachowania masy-energii - dla danego układu izolowanego podlegającego przemianie jądrowej stała jest suma energii
4. Zachowania pędu.
5. Zachowania momentu pędu.