Les combustibles utilisés dans la machine ITER seront traités en cycle fermé.

La réaction de fusion au sein du tokamak ITER sera alimentée par du deutérium et du tritium, deux isotopes de l'hydrogène. ITER sera la première machine de fusion entièrement conçue pour fonctionner avec un mélange deutérium-tritium. Sa mise en service se déroulera en trois phases : fonctionnement à l'hydrogène, suivi d'un fonctionnement au deutérium puis d'un fonctionnement au deutérium-tritium.

Pour amorcer la réaction de fusion, il faut dans un premier temps évacuer la totalité de l'air et des impuretés présents dans la chambre à vide. Les puissants aimants qui assurent le confinement et le contrôle du plasma sont alors activés puis le combustible gazeux à basse densité est introduit dans la chambre à vide par un système d'injection de gaz. On fait alors circuler un courant électrique dont l'action déclenche un « claquage » puis une ionisation du gaz, et enfin sa transformation en plasma.

Dans le cadre du programme ITER, de puissantes pompes ont été développées pour injecter les combustibles de fusion gazeux dans la chambre à vide. Avec un débit moyen de 200 Pa m3/s et des pointes à 400 Pa m3/s, la puissance des systèmes d'injection développés pour ITER sera quasiment dix fois supérieure à celle des tokamaks existants.

ITER sera également équipé d'un deuxième système d'alimentation en combustible appelé injecteur de glaçons, que l'on peut comparer à une machine à glace extrêmement sophistiquée. Une extrudeuse produit des glaçons d'une taille de plusieurs millimètres, formés d'un mélange de deutérium-tritium, qu'un injecteur pneumatique projette dans le cœur même du plasma. Les glaçons sont injectés au travers d'un tube de guidage situé dans la paroi interne de la chambre à vide et d'un autre tube de guidage permettant l'injection depuis la paroi externe.

L'injection de glaçons est le principal outil de contrôle de la densité du plasma. Elle permet également de maîtriser de manière efficace les ELMs (Edge Localized Modes), ces « éruptions » hautement énergétiques qui se produisent à la périphérie du plasma, échappent au champ magnétique et dissipent ainsi une partie de son énergie. L'injection de glaçons a largement démontré son efficacité dans la gestion des ELMs. Une technologie très novatrice, capable d'injecter ces glaçons selon des trajectoires courbes de manière à atteindre les zones du plasma où les ELM se révèlent particulièrement perturbateurs, est en cours de développement.

La chambre à vide ne contient jamais plus d'un gramme de combustible de fusion. Le divertor, situé sur le plancher de la chambre à vide, permet de recycler le combustible qui n'a pas été consommé: le combustible non brûlé est dirigé vers le divertor, d'où il est extrait par pompage puis séparé de l'hélium produit pendant la réaction de fusion, mélangé avec du tritium et du deutérium « frais » et réinjecté enfin dans la chambre à vide.