Siklus bahan bakar nuklir
Konsep dasar

Energi nuklir bergantung kepada material fisil yang memungkinkan terjadinya reaksi berantai dengan netron. Beberapa contoh material tersebut adalah Uranium (U) dan Plutonium (Pu). Sebagian besar reaktor nuklir menggunakan energi kinetik netron pada skala menengah sampai rendah sehingga meningkatkan kemungkinan terjadinya reaksi fisi. Kondisi tersebut memungkinkan reaktor untuk menggunakan konsentrasi isotop fisil yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan isotop fisil yang dibutuhkan untuk senjata nuklir. Grafit dan air berat merupakan moderator yang paling efektif, karena bahan tersebut dapat memperlambat netron melalui tumbukan tanpa menyerapnya. Reaktor yang menggunakan air berat atau grafit sebagai moderator dapat beroperasi menggunakan uranium alam.
Uranium merupakan sumber energi dengan kelimpahan sungguh sangat besar, yaitu 13.000 TW tahun. Sebagai perbandingan, kelimpahan energi dari batubara adalah 680 TW tahun. Sedangkan kelimpahan energi dari minyak dan gas adalah 400 TW tahun. Adapun konsumsi energi dunia pada tahun 2000 adalah 14 TW tahun, dan pada tahun 2100 diproyeksikan sekitar 55 TW tahun. (TW adalah singkatan dari terrawatt, dan 1 TW = 1.000.000.000.000 W). Uranium di kerak bumi terdeposit bersama-sama dengan mineral lainnya. Agar dapat menghasilkan energi yang efisien, uranium harus diolah melalui serangkaian tahapan proses yang panjang dan kompleks dibanding pemrosesan bahan bakar fosil seperti batubara, minyak, dan gas. Meskipun demikian, porsi ongkos bahan bakar nuklir terhadap ongkos total pembangkitan listrik dari Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) adalah realtif kecil, yaitu sekitar 20 %.
Sebuah reaktor air ringan (Light Water Reactor/LWR) menggunakan air seperti di alam, dan membutuhkan bahan bakar isotop fisil diperkaya hingga konsentrasi yang lebih tinggi. Secara khusus, reaktor ini menggunakan uranium diperkaya hingga 3 - 5% kandungan isotop U-235 yang tidak umum, satu-satunya isotop fisil yang ditemukan dalam jumlah yang signifikan di alam. Salah satu alternatif dari penggunaan bahan bakar uranium diperkaya-rendah adalah bahan bakar oksida campuran yang dihasilkan dari pencampuran plutonium dengan uranium alam atau uranium deplesi. Jenis bahan bakar ini memberi jalan terhadap penggunaan plutonium berkadar senjata yang jumlahnya melimpah. Tipe lain dari bahan bakar MOX meliputi pencampuran LEU dengan torium yang menghasilkan isotop fisil U-233. Baik plutonium dan U-233 diproduksi dari penyerapan netron oleh material fertil iradiasi di dalam reaktor, dalam keadaan tertentu umumnya isotop U-238 dapat dipisahkan dari bahan bakar bekas uranium dan torium dari bahan bakar bekas torium di dalam pabrik daur ulang.
Beberapa reaktor tidak menggunakan moderator untuk memperlambat netron. Seperti senjata nuklir, yang tidak menggunakan moderator atau disebut juga dengan neutron cepat, reaktor-reaktor netron cepat tersebut membutuhkan konsentrasi isotop fisil yang jauh lebih tinggi dengan tujuan untuk menghasilkan reaksi berantai. Reaktor tersebut juga mampu membiakkan isotop fisil yang berasal dari material fertil; reaktor pembiak adalah salah satu reaktor yang menghasilkan material fisil lebih banyak daripada yang dikonsumsinya.
Selama reaksi nuklir di dalam reaktor, isotop fisil dalam bahan bakar nuklir dikonsumsi, menghasilkan lebih dan lebih produk fisi, terutama yang dikategorikan sebagai limbah radioaktif. Pembentukan produk-produk fisi dan konsumsi isotop-isotop fisil pada akhirnya akan menghentikan reaksi nuklir sehingga menyebabkan bahan bakar menjadi bahan bakar bekas. ketik sejumlah 3% bahan bakar LEU diperkaya digunakan, bahan bakar nuklir bekas secara khusus mengandung kira-kira 1% U-235, 95% U-238, 1% plutonium dan 3% produk-produk fisi lainnya. Bahan bakar bekas dan limbah radioaktif tingkat tinggi lainnya sangat berbahaya, meskipun reaksi nuklir menghasilkan volume limbah yang relatif kecil dibandingkan dengan pembangkit listrik lainnya dikarenakan densitas energi yang besar dari bahan bakar nuklir. Pengelolaan keselamatan produk-produk samping energi nuklir tersebut, termasuk penyimpanan dan pembuangannya, merupakan persoalan sulit bagi negara yang menggunakan energi nuklir.