Diverses associations d'isotopes d'éléments légers sont susceptibles de produire une réaction de fusion. Toutefois, dans les machines de fusion, c'est la réaction deutérium-tritium (D-T)  qui se révèle la plus efficace. ITER et la future centrale de démonstration DEMO utiliseront cette combinaison d'éléments pour réaliser la réaction de fusion.

Pour obtenir du deutérium, il suffit de distiller de l'eau, qu'il s'agisse d'eau douce ou d'eau de mer. Cette ressource est largement disponible et quasiment inépuisable. Un litre d'eau de mer contient 33 milligrammes de deutérium que l'on extrait de manière routinière à des fins scientifiques et industrielles.

Le tritium est l'isotope radioactif de l'hydrogène. Sa désintégration est rapide et il n'est présent dans la nature qu'à l'état de traces. Le tritium peut toutefois être produit par l'interaction d'un neutron et d'un atome de lithium. Dans ITER, ce mode de génération du lithium sera exploré de manière expérimentale.

Il existe également un stock de tritium d'une vingtaine de kilos, issu du fonctionnement d'un certain type de réacteur de fission (CANDU) et réparti entre différentes installations nucléaires. C'est dans ce stock qu'ITER puisera pendant de sa phase d'exploitation. Pour répondre aux besoins des futures centrales de fusion industrielles, il sera essentiel de pouvoir produire du tritium à partir de la réaction de fusion.

La réaction de fusion deutérium-tritium (D-T) libère des neutrons à haute énergie ainsi que des atomes d'hélium. Tandis que le plasma demeure confiné par les champs magnétiques du tokamak, les neutrons, qui sont électriquement neutre, s'échappent et sont absorbées par les « modules de couverture » qui tapissent la paroi. La présence de lithium dans ces modules de couverture déclenche la réaction suivante: le neutron incident est absorbé par l'atome de lithium, lequel se recombine alors en un atome de tritium et un atome d'hélium. On peut ensuite extraire le tritium de la couverture, le recycler dans le plasma et le rendre à sa fonction de combustible.

On appelle « couvertures tritigènes » les couvertures qui contiennent du lithium. La réaction de fusion permet ainsi de produire du tritium de manière continue. Une fois la réaction de fusion amorcée dans le tokamak ITER, il suffira pour l'entretenir de l'alimenter en deutérium et en lithium, deux éléments disponibles en abondance.

L'approvisionnement en deutérium, en effet, peut être assuré par l'industrie et le lithium est présent en abondance dans la croûte terrestre. Si la fusion devait à elle seule assurer l'approvisionnement en électricité de l'ensemble de la planète, les réserves connues de lithium y pourvoiraient pendant au moins mille ans.

Pour générer elles-mêmes la totalité du tritium dont elles auront besoin, les centrales de fusion de demain devront produire de grandes quantités d'énergie. ITER expérimentera ce concept fondamental d'autosuffisance en tritium.

Certaines des caractéristiques propres à la fusion en font une solution particulièrement intéressante pour le bouquet énergétique de demain. En effet, les combustibles de fusion sont disponibles en abondance et ne présentent aucun risque en soi. Dans la mesure où la quantité de combustible présente dans le plasma ne dépasse jamais quelques grammes, de très faibles quantités de deutérium et de tritium suffisent à alimenter la réaction de fusion.

La quantité d'énergie produite par la réaction de fusion est environ 4 millions de fois supérieure à celle que génèrent des réactions chimiques telles que la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz naturel. Alors qu'une centrale au charbon de 1 000 MW brûle 2,7 millions de tonnes de charbon par an, une centrale de fusion comme celles qui pourraient être opérationnelles dans la deuxième partie du XXIe siècle ne consommera que 250 kilos de combustible chaque année, répartis à parts égales entre le deutérium et le tritium.

La fusion n'émet pas de polluants ni de gaz à effet de serre. Son principal sous-produit est l'hélium, un gaz inerte et non toxique. Il n'existe en outre aucun risque « d'emballement » car les conditions requises pour obtenir la réaction de fusion sont extrêmement rigoureuses et toute modification de celles-ci entraînerait un refroidissement quasi instantané du plasma et un arrêt de la réaction. La fusion est donc à même de produire de grandes quantités d'énergie en générant peu de déchets pour les générations futures.