La réaction triple alpha est le processus selon lequel trois noyaux d'hélium (particules alpha) sont transformés en un atome de carbone.
Cette réaction de fusion nucléaire peut se produire rapidement à des températures supérieures à 100 000 000 K et dans les étoiles à haute abondance en hélium. Elle se produit donc dans les vieilles étoiles où l'hélium produit par la chaîne proton-proton et le cycle carbone-azote-oxygène s'est accumulé au centre de l'étoile. Comme initialement l'hélium ne produit pas d'énergie, l'étoile se contracte jusqu'au moment où la température au centre atteint le point où le réaction triple alpha peut avoir lieu.
Le bilan énergétique net de cette réaction est 7,275 MeV.
Le 8Be produit lors de la première étape est instable est retourne sous forme de deux noyaux d'hélium en 2,6×10-16 secondes. Néanmoins, sous les conditions d'équilibre de la réaction, il existe toujours une petite quantité de 8Be; la capture d'un autre noyau d'hélium produit alors le carbone 12C. Cette conversion de trois noyaux d'hélium ou particules alpha en 12C est appelé réaction triple-alpha.
Comme la réaction triple-alpha est peu probable, elle requiert un temps très long pour produire du carbone. Une conséquence de cela est qu'aucun carbone ne fut produit lors du Big Bang car la température baissa rapidement en dessous de la température nécessaire à cette fusion.
Normalement, la probabilité que trois noyaux puissent ainsi se fusionner est extrêmement faible. Néanmoins, l'état fondamental du béryllium-8 a presque exactement la même énergie que deux particules alpha et, dans la seconde étape, le couple 8Be + 4He a presque exactement la même énergie que l'un des états excités de 12C. Ces résonances augmentent considérablement la probabilité qu'une particule alpha se combine avec un noyau de béryllium-8 pour former un atome de carbone. Le fait que l'existence du carbone dépende ainsi que ces niveaux énergétiques aient exactement les bonnes valeurs fut avancé de façon très controversée par Fred Hoyle comme une preuve du principe anthropique.
Comme effet secondaire du processus, certains noyaux de carbone peuvent se fusionner avec des noyaux d'hélium additionnels en produisant un isotope stable d'oxygène et de l'énergie:
L'étape suivante où l'oxygène se combine lui aussi avec une particule alpha pour former un atome de néon est plus difficile à cause des règles concernant le spin nucléaire. Ceci a pour conséquence que la nucléosynthèse stellaire produit de grande quantité de carbone et d'oxygène mais une partie seulement des ces éléments sont à leur tour convertis en néon et en éléments plus lourds. La fusion nucléaire produit de l'énergie seulement jusqu'au fer ; les éléments plus lourds sont créés lors de l'explosion de supernovae avec absorption d'énergie.