地層処分
地層処分（ちそうしょぶん）とは、原子力発電所から発生する使用済み燃料の再処理の際に発生する高レベル放射性廃棄物やTRU廃棄物の最終処分方法の一つである。放射性物質の濃度が高く、半減期の長い放射性物質を含むため、人が触れるおそれのない深部地下にこれを埋設することであり、低レベル放射性廃棄物の処分である「浅地中処分」とは区別される。
放射性物質の生物生息環境からの隔離
原子力発電、核兵器開発などの工程で生じた高レベル放射性廃棄物はその生物に与える脅威から、生物相からの隔離が必要となる。生物相からより離れた実用的な手段として地層処分が20世紀後半から考慮されている。地層処分においてはいかに人類を含む生物生活環境からこれら廃棄物を遠ざけるかが考慮され、何段階にもおよぶ防御（バリア）を施した埋設処分が検討されている。高レベル放射性廃棄物はガラスによって固化し（ガラス固化体）、30年から50年の中間貯蔵を経た後に、オーバーパックと呼ばれる金属などの容器に封入され地下深部に埋設される。地層処分の安全性を確保するため、人工バリアと天然バリアと呼ばれる多重バリアシステムの概念が用いられている。
処分施設の計画や建設が進行中である（2011年時点で高レベル放射性廃棄物の為の地層処分施設に完成したものはない）。
地層の選択
20世紀後半から各国で様々な試行が繰り返されている。岩塩層、泥岩層、花崗岩層などが候補地に選ばれ試験施設が建設された（および建設中）。岩塩層はその可塑性（Plasticity）による亀裂自動修復効果が期待されているが同時にその可塑性による岩塩ドームの崩落など不安定性も憂慮されており、また耐水性に難がある。泥岩層は岩塩層同様に展延性（Ductility）による亀裂修復効果が期待されている。花崗岩層は岩塩層や泥岩層に比べその堅牢性、安定性が評価されているが亀裂の修復は期待できないなど一長一短がある。
処分地の管理
地層処分地は一定期間を立体的保護区として監視し、特定行為の制限などの対策を講じる。時間の経過に従い管理の度合いを段階的に排除し、最終的には人間の管理から離れることになる。
高レベル放射性廃棄物は30~50年間の中間貯蔵の後、深地層埋設処分される。埋設地選定・施設建設から数10年から100年間の操業（廃棄物の搬入）された後に、施設は埋戻しされ地層処分作業は終了するが、埋設地周辺の管理はその後長期にわたり継続される予定である。
高レベル放射性廃棄物の放射能は時間とともに減衰するが無害のレベルまで崩壊するには数万年以上の時間が必要であり、地層処分の不確実性によるリスクは期間の増大とともに増えていく。地層処分が検討され始めた当初は、施設封鎖後1000年間程の情報管理が必要と考えられていたが、現在では「可能な限り長期間」とより長い努力目標に変わってきている。仮に1000年間の情報継承としても、日本の歴史にたとえると平安時代の終わり（1192年頃）から幾多の災害・戦争・政変などを乗り越えた現在よりもさらに100年以上先の、22世紀の終わり（2192年頃）まで埋設施設の情報を引き継ぐ事に相当する。たとえ情報が引き継げたとしても民族や国家が滅亡するというケースもあり、存続していたとしても22世紀には世界人口の減少が始まり、世界的な超高齢社会に突入するという予想もされているため、これらの可能性も考慮されなければならない。
米国ではユッカマウンテンの処分施設（2011年時点で計画凍結）の管理期間を百万年としていた。ヨーロッパ各国では地層処分施設の管理期間を十万年としている。十万・百万年という地質時代の規模での管理を想定した場合、施設の継承はもとより情報の継承すら困難が予想されるため、後述のような対策が行われているが、その有効性については不明な部分が多い。
放射能の経時変化
日本で計画されているステンレス製のキャニスター1本のガラス固化体（正味体積150リットル、正味重量約400kg）の放射能は約4x10¹⁵ベクレル（最大4.5x10¹⁶ベクレル）で、その放射能は50年（一次冷却保管）後に半減、100年後に1/10、1000年後に1/400、1万年後に1/2000、10万年後に1/6000の約7x10¹¹ベクレル、100万年後に1万分の1の約3.5x10¹¹ベクレル、5000万年後に5百万分の1、10兆年後に5.5x10⁸ベクレルへと減少していく（注意　記述の放射能の減衰の数値は原典のグラフを目測したもので正確な数値ではない）。
高レベル放射性廃棄物の在庫
2009年の時点でのガラス固化体の日本での在庫は日本原燃・再処理事業所に1445本、東海研究開発センターに247本であった。東海研究開発センターには他にガラス固化処分待ちの380立方メートルの高レベル放射性廃液があった。
日本における地層処分
地層処分の研究開発は、1976年より実施されている。1992年に動力炉・核燃料開発事業団（現：日本原子力研究開発機構）が地層処分の技術的可能性を示した。地層処分の技術的な信頼性を高めるために茨城県東海村に地層処分基盤研究施設（放射性同位元素を使用しない施設）における研究開発を1993年より実施した。さらに、地層処分放射化学研究施設（放射性同位元素を使用可能な施設）を建設・開設した。両施設における研究成果をとりまとめ、核燃料サイクル開発機構（現：日本原子力研究開発機構）は1999年に地層処分の技術的信頼性を示した。この成果を受けて実際の日本の地下深部に関わる研究を実施するため、2001年に幌延深地層研究センターを、2002年に瑞浪超深地層研究所（岐阜県瑞浪市）の建設に着工し、地層処分や深部地下環境に関わる研究が実施されている。
高レベル放射性廃棄物は1996年3月時点でガラス固化体に換算して1万2千本相当が溜まっており、2030年には7万本相当になると試算されており地層処分施設では5.6~7km²の用地を必要と見積もられている。
2010年3月末時点で日本国内には処理の済んだガラス固化体1338本が日本原燃六ヶ所高レベル放射性廃棄物貯蔵管理センターで保管されている。日本原子力研究開発機構大洗研究開発センターには200リットルドラム缶換算で28836本相当の処理待ちの廃棄物が保管されている。日本は地震が多い火山国であるが、それでも地層処分の条件である例えば地下水が少なく活断層のない安定した地盤の補地はとしては宮城県や福島県のようにあり、問題は住民の理解が得られるかに掛っている。石炭層は地下水流量が多く適さない。
日本の地層処分研究
日本では、地震や火山噴火等に耐える強固な施設でなくてはならず、地下水にも汚染がないよう地下300mの箇所に多重バリアを引いて処理する手法が提示されているが、場所の選定からして大変であり、候補地の目途すら立たない状況にある。地層処分#施設検討・応募状況も参照。
岐阜県瑞浪市のJAEA瑞浪超深地層研究所では2007年11月現在、将来の高レベル放射性廃棄物の処分地を決める上で必要となる技術を研究するために、地下深く縦穴（立坑）を掘っている。2本の1,000mの穴を掘り、100m毎に地下水の動きや地震の影響を記録する装置を設置する予定である。北海道幌延町でもJAEAにより同様の施設の建設が進んでいる。
地層処分施設およびその周辺の管理期間に関して原子力委員会は1998年（平成10年）の報告の中で、にウラン鉱脈を持つカナダではガラス固化体は「一万年後にはウラン鉱と同レベルの放射能になる」、「地中のウラン鉱脈が地表に影響を与えていない」等から、当時は一万年を管理期間としていたことから日本もそれに習い一万年を管理期間とするよう勧告していた。
アメリカ合衆国でもネバダ州（人口密度は北海道の1/7）のユッカマウンテンに計画されていた地層処分施設の管理期間を当初一万年としていたが、2009年には管理期間を百万年に変更した。ヨーロッパ各国では地層処分施設の管理期間を十万年としている。
ガラス固化体一本（直径約40cm、高さ約130cm）の放射能は約4x10¹⁵ベクレルで、1万年後に1/2000の約2x10¹²ベクレル、10万年後に1/6000の約7x10¹¹ベクレル、100万年後に1万分の1の約3.5x10¹¹ベクレル。（注意：記述の放射能の減衰の数値は原典のグラフを目測したもので正確な数値ではない。）
高レベル放射性廃棄物は1996年3月時点でガラス固化体に換算して1万2千本相当が溜まっており、2030年には7万本相当になると試算されており地層処分施設では5.6〜7km²の用地を必要と見積もられている。
2009年時点ではガラス固化体1692本と処理待ちの380立方メートルの高レベル放射性廃液の在庫があった。
ガラス固化後の高レベル放射性廃棄物がウラン鉱石と同じ放射能レベルになるには長期間かかる。長寿命核種の分離変換（群分離・消滅処理）の技術が確立したのち実施をすればこれが数百年以下に短縮されるが、地層処分の必要性を変えるものではないと考えられている。
処分地の選定
2002年より、原子力発電環境整備機構（NUMO）が地層処分を行う場所を公募開始。2028年までに調査を終えて処分地を決定、2038年までに処分を開始するタイムスケジュールとなっている。
処分場の設置に当たっては、関連施設の誘致などが見込まれ、疲弊した地方の自治体には興味を示すところは少なくないとされる。ただし、誘致を表面化させた場合、周辺自治体等からの猛反発は避けられず、水面下での検討を余儀なくされている。
地層処分に関して自治体への援助は、その地域の「文献調査」（過去の地震等の調査）の実施に対して年間2億1,000万円が交付される。また「概要調査地区」（地層の実際の調査）では年間20億円の電源立地交付金が給付される。地方交付税の大幅削減の状況下で財政再建に苦しむ自治体ではこの交付金目的で調査に応じる場合も予想されている。
原子力発電環境整備機構では公募開始後、応募があれば対応するという受け身の活動であったが、2005年以降は要員を増強し地方へ長期出張して説明会・勉強会を実施するなど能動的応募獲得活動に移っている。下記の検討・応募状況以外にも多くの自治体から原子力発電環境整備機構（NUMO）への問い合わせがある。
2017年7月28日、経済産業省資源エネルギー庁は地層処分の適・不適の別を記した「科学的特性マップ」を公表した。
各国の施設
深地層への放射性廃棄物の保管は20世紀後半から各国で研究・試験がおこなわれてきた。主な施設を以下にあげる。貯蔵施設には将来の搬出を考慮したものと搬出を考慮しない永久埋設がある。より詳細は英語版en:Deep geological repositoryを参照。
モンゴル
有力なウラン産出国であるモンゴル
において核廃棄物処分場を建設する構想が国際協調の名の下に検討された。2010年9月に米エネルギー省とモンゴル政府の協議が始まり、2011年2月には日本が参加、その後アラブ首長国連邦（UAE）も加わり秘密裏に交渉が続いでいたが、計画が報道されモンゴル国内で反対の動きが高まり、2011年9月には計画は撤回された。