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碳氮氧循环（CNO cycle），有时也称为贝斯-魏茨泽克-循环（Bethe-Weizsäcker-cycle），是恒星将氢转换成氦的两种过程之一，另一种过程是质子-质子链反应。

在质量像太阳或更小些的恒星中，质子-质子链反应是产生能量的主要过程，太阳只有1.7%的4氦核是经由碳氮氧循环的过程产生的，但是理论上的模型显示更重的恒星是以碳氮氧循环为产生能量的主要来源。碳氮氧循环的过程是由卡尔·冯·魏茨泽克和汉斯·贝特在1938年和1939年各别独立提出的。

此处，所有参与反应的"催化剂"（碳、氮、氧的核）数量都是守恒的，而在恒星演化中核的相对比例是会改变的。无论最初的结构是如何，当这个循环在平衡状态下，¹²碳/¹³碳核的比例是3.5，而¹⁴氮成为数量最多的核。在恒星的演化中，对流会将碳氮氧循环的产物从恒星的内部带到表面并混合，改变观测到的恒星成分。在红巨星，相较于主序星，能观测到少量的¹²碳/¹³碳和¹²碳/¹⁴氮，这些都可以证明核聚变在恒星内部进行能量的世代交替。