Stabil forró mágnesezett plazmák összetartása csak külső mágneses tér segítségével lehetséges. A mai kísérleti berendezésekben (és a jövőbeli, hasonló elven működő reaktorokban is) ezen tér nagysága néhány tesla. Érzékeltetésképp egy hűtőmágnes tere század ekkora, a Földön folytonos üzemben elért legnagyobb tér pedig 50 tesla nagyságú. A tokamakokban lévő mágneses térrel összemérhető nagyságú teret az orvosi képalkotó mágneses rezonancia készülékekben (MRI) és a vasemelő elektromágneses darukban alkalmaznak. Azonban van egy lényegi különbség: már egy közepes méretű tokamakban is néhány m³-ben, az ITER-ben pedig majdnem 1000 m³-ben kell ezt a teret létrehozni.
A tokamakban a tórusz menti, úgynevezett toroidális tér a legnagyobb, néhány tesla nagyságú. Ezt a teret a toroidális tekercsek állítják elő, amelyekben akár 50 –100 kA áram is folyhat. Habár a poloidális-vertikális tekercsek mágneses tere ennél kisebb, mégis nélkülözhetetlenek a plazma egyensúlyának fenntartásához. Továbbá terük határozza meg a plazma alakját, illetve stabilizálja a plazma függőleges pozícióját. A központi tekercs szerepe ettől kissé eltérő, mivel nem a mágneses terét használjuk, hanem a változó mágneses tere által keltett elektromos teret, amely a plazma áramát hajtja. Ennek következtében egy kisülés alatt a tekercsben folyó áramot folyamatosan növelni kell, akár 10 kA-ig is.
Ezenkívül még két tekercsrendszert érdemes megemlíteni: a korrekciós tekercseket, amelyek a tokamak mágneses terét tengelyesen szimmetrikussá teszik, illetve a rezonáns mágneses tekercseket, amelyek megtörik ezen szimmetriát.
Hagyományos tekercsek
A legtöbb ma üzemelő tokamakban a mágneses teret létrehozó tekercsek rézből készültek. Habár a réz alapanyag egy átlagos háztartásban, ahol a falban lévő vezetékekben néhány A áram folyik, a bevált megoldás, 100 kA-es áramerősségek mellett különös odafigyelést igényel.
A réz ellenállásával számolva a berendezések energiafogyasztása jelentős, még egy kisebb tokamakon is 100 MW nagyságrendű lehet a kisülés néhány másodperces ideje alatt. Az alábbi ábra a legnagyobb európai fúziós berendezés, a JET energiafogyasztását mutatja. Érdemes szem előtt tartani, hogy a paksi atomerőmű 1. blokkja 500 MW áramot termel.
A plazmakisülések egy átlagos tokamakban néhány másodpercig tartanak, a két kisülés között eltelt idő pedig fél órás nagyságrendbe esik. Ilyen gyakori, több száz megawattos terhelésváltozást a lokális elektromos hálózatok általában nem tudnak elviselni. A lausanne-i TCV tokamak például, amely az EPFL-en, Svájc második legnagyobb műszaki egyetemén helyezkedik el, a város elektromos hálózatát tenné működésképtelenné, ha közvetlenül onnan venné fel az áramot. Ezért az energiabetáplálást lendkerekes generátorokból oldják meg: a hálózatból felvett elektromos energiát a lendkerék mozgási energiájává konvertálják a két mérés közötti 20 perces szünetben, majd ezen energiát a mérés rövid, 2 másodperces ideje alatt elektromágneses energiává alakítják. A JET tokamak is fel volt szerelve ehhez hasonló, de sokkal nagyobb lendkerekekkel, amelyek energiabetáplálása 50%-át biztosítják. Az energiaszükséglet másik felét direkt kapcsolattal az Egyesült Királyság legnagyobb szénerőműve elégítette ki.
Az óriási felvett energiamennyiség mellett a réztekercsek másik problémája, hogy ezen energiát hő formájában el is kell disszipálni anélkül, hogy a tekercsek megolvadnának. Ezért a tekercsek belsejébe hűtőcsöveket építenek, amelyekben vizet áramoltatnak nagy, akár megawatt teljesítményű pumpák segítségével. Helyenként hűtőtornyok alkalmazására is szükség lehet.
Szupravezető tekercsek
A JET tokamakban a plazma térfogata 140 m³, ez hatoda a leendő ITER-plazma térfogatának. A réztekercsek alkalmazásának technológiai határait már ezen méretek is feszegetik, gazdasági határait pedig messze túllépik. A tekercsek energiafogyasztását és ezáltal hőtermelését mindenképp csökkenteni kell. A mágneses tér fenntartásához szükséges energia függ a tekercsben folyó áram erősségétől és a tekercs ellenállásától. Ekkora mágneses teret kisebb áramerősséggel nem lehetne fenntartani, a tekercsek ellenállásának csökkentése az egyedüli lehetőség. Ezt a gondolatmenetet követve született meg az az ötlet, hogy hűtsük le a mágneseket olyan alacsony hőmérsékletre, amelyen már szupravezetőként viselkednek.
A szupravezetés a modern tudomány egyik nagy felfedezése, amelyért Kamerlingh Onnes 1913-ban Nobel-díjat kapott: felfedezte, hogy az abszolút nulla fok (-273 °C) közelében a fémek ellenállása megszűnik. Azóta széles körben is elterjedt ipari alkalmazásai is vannak ennek a jelenségnek, a legismertebbek talán a már korábban is említett MRI, a maglev nagy sebességű mágneses lebegtetésű vasút és a CERN részecskegyorsító mágnesei.
Az alacsonyhőmérsékletű szupravezető mágnesek (NbTi, Nb3Sn) alkalmazásának nagy problémája, hogy a tekercseket alacsony, -250 °C körüli hőmérsékleten kell tartani. Ez egy orvosi berendezésben még könnyen kivitelezhető, de egy fúziós reaktorban, ahol nagy méretben de limitált helyen kell őket elhelyezni, ráadásul mellettük ott a 100 millió fokon égő, és jelentős radioaktív sugárzást kibocsátó plazma, komplikált. Ahhoz, hogy a tekercs a megfelelően nagy mágneses teret is elviselje, jócskán a kritikus hőmérséklete alá kell hűteni, amely csak folyékony He segítségével lehetséges. Az amúgy sem olcsó He cseppfolyósítása pedig jelentősen megnöveli a költségeket. Távlati elékpzelésként meg lehet említeni a magashőmérsékletű szupravezetők (- 150 °C) alkalmazását is, de a jelenlegi anyagtudomány ezt még nem teszi lehetővé, az ilyen anyagok nagy méretben történő előállítása elsősorban ezen anyagok mechanikai tulajdonságai, törékenysége miatt jelenleg nem lehetséges. A kisméretű árambevezetők esetében viszont már az ITER- ben is megjelenhetnek magashőmérsékletű szupravezetők. Szobahőmérsékleten is szupravezető anyagok viszont tényleg csak a filmeben léteznek, mint például az Avatar unobtainiumja.
Jelenleg egyre több közepes méretű berendezésben alkalmaznak szupravezető tekercseket. Az úttörő ebben a Marseille közelében felépített Tore Supra volt, amit 1988-ban adtak át. A világ jelenlegi két legújabb tokamakja, a kínai Heifei-ben található EAST és a dél-koreai Daejonba található KSTAR is szuravezető mágneseket használ. A legbonyolultabb szupravezető berendezés a Németországi Greifswaldban a Wendelstein 7-X sztellarátor amely 2015-ben kezdte meg működését. Szintén szupravezető lesz a jelenleg épülő közös EU-Japán JT-60SA tokamak. Ezekben a berendezésekben a tekercsekben folyó elektromos áramot és az általa létrehozott mágneses teret egy mérési nap elején kapcsolják fel, és a végén kapcsolják le. Ezáltal, és az Ohmikus veszteségek hiánya miatt a tekercsek elhanyagolható mennyiségű energiát fogyasztanak. Ugyanakkor a hűtőrendszerük jelentős mennyiségűt.
A KSTAR tokamak mágnesrendszerét a következő számokkal lehet jellemezni: körülbelül 5000 kilométernyi szupravezető szál, amelyet 15 m³-nyi He-mal hűtenek. A hűtőrendszer működtetéséhez pedig 4 MW-nyi elektromos teljesítmény szükséges.
Az ITER paraméterei természetesen messze meghaladják ezen számokat, ugyanis körülbelül 80000 km-nyi (400 tonna), 0.8 mm-es átmérőjű szupravezető szálból fognak felépülni tekecsei. A szupravezető szálakat a 8. ábra mutatja. Önmagában egyetlen országnak sincs olyan ipari kapacitása, amely segítségével a szükséges szálakat a rendelkezésre álló idő alatt el tudná készíteni, ezért párhuzamosan az összes ITER-tagország részt vesz gyártásukban.
A szupravezető kábeleket 5 lépcsőben tekerik körülbelül 1000 szupravezető szálból. A kábelek CICC elrendezésűek: az összetekert szálak egy acél vezetőcsatornában helyezkednek el, amelyet csak 70 %-ban töltenek ki, az üres részekben pedig a He hűtőfolyadék áramlik. Ezen kábelekből készül a 18 darab, egyenként több, mint 10 méter magas és 300 tonna súlyú toroidális tekercs. A poloidális tekrecsek is hasonló módon épülnek fel, de bennük a szupravezető anyag SbTi. Ezen anyag könnyebben előállítható, de csak kisebb mágneses térben alkalmazható, ami a legkülső tekercsek esetében nem jelent problémát. Azonban a tekercsek akár 24 méteres átmérője már annál inkább: szállításukra nincs lehetőség, helyben lesznek tekercselve.
