Ydinpolttoainekierto

Ydinpolttoainekierto tarkoittaa ydinpolttoaineen raaka-aineiden hankinnan, valmistuksen, kuljetusten, käytön, kierrätyksen ja jätehuollon muodostamaa kokonaisuutta, joka on tarpeen ydinreaktoreiden käyttämiseksi ja ydinenergian tuottamiseksi. Vuonna 2007 Suomi toi ydinpolttoainetta Ruotsista 20 tonnia uraania ja Venäjältä 13 tonnia uraania, mikä tilavuudeltaan vastaa kolmea kuutiometriä ja riitti tuottamaan 28 % sähköstä Suomessa.
Erilaisia ydinpolttoainekiertoja on olemassa, riippuen siitä minkä tyyppisestä reaktorista on kyse. Nykyään selvästi yleisin käytössä oleva reaktori on tyypiltään ns. kevytvesireaktori (Light Water Reactor – LWR), joka käyttää ns. uraani-ydinpolttoainekiertoa (katso myös Torium-ydinpolttoainekierto ja sulasuolareaktori). Luonnonuraani on raskas, puhtaassa muodossaan lievästi radioaktiivinen metalli, jota esiintyy luonnossa varsin paljon; luonnonuraani on suurin piirtein yhtä yleistä kuin tina ja noin 500 kertaa kultaa yleisempää. Kuitenkin kevytvesireaktorissa ydinenergian tuottamiseen vaadittavaa 235U:a on luonnonuraanista vain 0,7 %, minkä vuoksi tarvitaan polttoaineen rikastamista. Loput, eli noin 99,3 % 238U:a, ei suoraan sovellu energiantuottoon kevytvesireaktorissa, joskin osa siitä muuttuu reaktorin käydessä plutoniumiksi, joka voi osallistua energiaa tuottavaan ketjureaktioon.
Ydinpolttoaineelle on tyypillistä, että hyvin pienet polttoainemäärät luovuttavat suuria määriä energiaa. Siksi ydinpolttoaineen tuotannon mittakaava ja sen vaikutukset samoin kuin loppusijoitettavien aineiden määrät ovat pieniä suhteessa tuotettuun energiaan. Ydinpolttoaineen käyttö ei synnytä useimmille muille polttoaineille tyypillisiä päästöjä, kuten rikki-, typpi- ja hiilidioksidipäästöjä. Käytetty polttoaine voidaan joko jälleenkäsittelyllä palauttaa polttoainekiertoon 95 %:sesti (vaikkakin suurin osa jälleenkäsitellystä polttoaineesta on 238U:aa, joka ei siis osallistu fissioenergiantuottoon kevytvesirektorissa) tai loppusijoittaa. Suomessa käytettyä ydinpolttoainetta ei jälleenkäsitellä, vaan se on tarkoitus loppusijoitettaa kokonaan kallioon.
Käyttämätön ydinpolttoaine uraanidioksidi UO2 on vain lievästi radioaktiivista. Sen 235U-isotooppirikastusastejakauma on yleensä noin 3–5 % eli noin 95–97 % 238UO2 ja noin 3–5 % 235UO2. Käytetty ydinpolttoaine sen sijaan säteilee hyvin voimakkaasti, joten säteilysuojelutoimet ovat sen varastoinnissa ja kuljetuksessa tarpeen. Käytetystä ydinpolttoaineesta radioaktiivisen tekee 235U hajoamisen (fission) seurauksena syntyvät voimakkaasti radioaktiiviset fissiotuotteet ja reaktorissa neutronikaappauksella aktivoituneet aineet.
"Pääartikkeli Uraanin esiintyminen"
Ydinpolttoaine luonnonvarana.
Uraani on uusiutumaton luonnonvara, jota kuitenkin on maankuoressa suhteessa sen kulutukseen niin huomattava määrä, ettei sen ehtyminen ennakoitavissa olevalla aikajänteellä ole realistinen vaihtoehto. Uraania on maapallolla kaikkiaan noin 63 biljoonaa tonnia, ja maankuoressa sen pitoisuus on noin 4 miljoonasosaa. Tämän lisäksi käytössä ovat olemassa olevat uraanivarastot, ydinpolttoaineen jälleenkäsittely sekä ydinaseriisunnasta saatava polttoaine. Noin 40 % maailman ydinsähköstä tuotetaan tällä hetkellä näistä kaivostoimintaa kaipaamattomista polttoaineenlähteistä. 
OECD:n ydinenergiajärjestön NEA:n ja YK:n alaisen IAEA:n yhteisen raportin mukaan alle 130 dollarin kilohinnalla taloudellisesti käytettävissä olevat tunnetut malmivarannot ovat runsaat 4,7 miljoonaa tonnia, mikä riittäisi nykyisten reaktorien tarpeisiin seuraavaksi 85 vuodeksi. Tunnettujen varantojen lisäksi maankuoressa on kuitenkin toistaiseksi löytämättömiä uraanivaroja. Nykyisin kaivostoiminta edellyttää vähintään 1 000 ppm pitoisuutta uraania malmissa, jotta sen hyödyntäminen olisi kannattavaa. Näissä esiintymissä on Yhdysvaltojen energiaministeriössä tehdyn geologisen kartoituksen perusteella noin 90 miljoonaa tonnia uraania. NEA:n ja IAEA:n uraanivarantojen inventoinnista vastaavat tutkijat ovat arvioineet, että nykykaivostoiminnalle hyödyntämiskelpoiset tavanomaiset varannot uraania riittävät ainakin vuosisadoiksi kun huomioidaan tunnettujen varantojen lisäksi toistaiseksi löytämättömät esiintymät, joita geologian nojalla maankuoressa arvioidaan olevan.
Käytettävissä olevan uraanin määrä riippuu voimakkaasti uraanin hinnasta koska mitä korkeampi hinta on, sitä köyhempiä esiintymiä voidaan hyödyntää panostamalla enemmän kaivostoimintaan. Uraanin hinnan kaksinkertaistuminen kasvattaa uraanivarat kymmenkertaisiksi, hinnan kymmenkertaistuminen jo noin 300-kertaisiksi. Jos viime vuosina nähdystä uraanin hinnan yli kymmenkertaistumisesta edes osa on pysyvää, on seurauksena taloudellisesti kiinnostavien uraanivarojen erittäin huomattava kasvu aivan uuteen suuruusluokkaan. Raakauraanin osuus ydinsähkön hintarakenteessa on vain joitakin prosentteja, joten uraanin huomattavakaan kallistuminen ei nostaisi sähkön hintaa kovinkaan merkittävästi.
Uraanin riittävyyteen vaikuttavat merkittävästi myös käytetty tekniikka. Ydinvoimaloiden polttoainetaloudellisuus kehittyy koko ajan, mikä hidastaa uraanivarantojen kulumista. Toisaalta kierrättämällä ydinpolttoaine jälleenkäsittelyn kautta, yli 90 % polttoaineesta on mahdollista palauttaa ydinpolttoainekiertoon. Merkittävimmin polttoainevaroja kasvattaisi kuitenkin hyötöreaktorien laajempi käyttäminen, sillä ne kykenevät käydessään tuottamaan enemmän polttoainetta kuin kuluttavat. Toistaiseksi hyötöreaktoritekniikka on tuotantokäytössä kuitenkin vain Venäjällä, vaikka kokeita on tehty muun muassa Yhdysvalloissa, Ranskassa, Japanissa ja Britanniassa. Toinen mahdollisuus liittyy fuusioenergiaan, joka hyödyntää polttoaineenaan deuteriumia. Deuteriumia on mahdollista erottaa vedestä, joten maailman meret tarjoaisivat fuusiovoimaloille miltei ehtymättömän polttoainevarannon.
Polttoainekierron alkupää.
Uraanin tuotanto.
Maailman suurimpia uraanintuottajia ovat Australia ja Kanada, jotka yhdessä tuottavat yhtä paljon uraania kuin kaikki muut maat yhteensä. Merkittäviä uraanivarantoja on myös muun muassa Venäjällä, Kazakstanissa, Uzbekistanissa, Namibiassa, Etelä-Afrikassa ja eräillä alueilla Etelä-Amerikassa.
Uraanimalmin louhinta muistuttaa hyvin paljon muiden metallien tai kivihiilen louhimista. Uraanitaloudelle on tyypillistä, että suhteessa saatuun energiaan tarvitun uraanipolttoaineen määrä on hyvin pieni – suuruusluokkaa yksi sadastuhannesosa verrattuna hiileen. Pitää kuitenkin ottaa huomioon, että fissioenergian tuottamiseen soveltuvan U-235-isotoopin osuus luonnon uraanista on vain 0,7 % ja loput energiantuotannon kannalta käyttökelvotonta U-238-isotooppia. Sekä avolouhoksia että tunnelikaivoksia käytetään. Uusissa kaivoksissa saatetaan käyttää myös malmin kemiallista liuottamista, jolloin esiintymään johdetaan liuotinvirta, jonka mukana uraani otetaan talteen, eikä perinteistä louhintaa tarvita. Seuraavaksi malmin sisältämä uraani erotetaan kemiallisesti noin 85-prosenttiseksi uraanirikasteeksi tai Ammoniumdiuranaatiksi (NH4)2U2O7, jota kutsutaan myös nimellä ”yellowcake” sen keltaisen värin takia. Täten vältytään kuljettamasta kaivospaikalta ylimääräistä massaa uraanin mukana. Prosessia sanotaan uraanin rikastamiseksi.
Luonnonuraani on vain lievästi radioaktiivista, eikä sen käsittelyssä vaadita säteilysuojelutoimia. Kaivostoimintaan tai polttoaineen valmistukseen ei liity ydinreaktioita, joten ne eivät voi "synnyttää" radioaktiivisuutta, mutta sen sijaan ne voivat "siirtää" luonnossa jo olevaa radioaktiivisuutta paikasta toiseen. Uraani esiintyy yleensä kivilajeissa, jotka sisältävät keskimääräistä enemmän luonnollisia radioaktiivisia aineita. Nämä jäävät malmin erotuksesta yli jäävään sivukiveen, jonka varastointi täytyy järjestää turvallisesti.
Kaivoksissa käytetään myös kemiallisia aineita, joista osa on myrkyllisiä ja toisaalta kallion mineraalit saattaavat sisältää raskasmetalleja tai muuten suurina annoksina myrkyllisiä aineita, joten sivukivestä, kaivosjätteestä ja muusta jättestä tulee uraanikaivoksillakin huolehtia asiaankuuluvin järjestelyin. Historiallisesti jätehuollon tasossa on esiintynyt kaivosten välillä vaihtelua, parhaiden esimerkkien ollen yleensä nykyaikaisen ympäristövaikutusten arviointimenettelyn sekä ympäristölupakäytännön piirissä olevissa kaivoksissa, sekä toisaalta heikoimpien esimerkkien ollessa ilman valvontaa olevista tai korkean korruption maista, joissa ympäristövaikutusten arviointia ei joko tunneta tai harjoiteta.
Merkittävien energiamäärien varastoiminen uraanina on suhteellisen helppoa, sillä yksi kilo ydinpolttoainetta vastaa yli 100 tonnia hiiltä. Uraania on huomattavia määriä varastoissa ympäri maailman. Tällä hetkellä kulutettavasta ydinpolttoaineesta suuri osa tuleekin vanhojen varastojen purkamisesta ja ydinaseriisunnasta.
Väkevöinti.
Luonnonuraanista noin 0,7 % on fissiiliä, helposti halkeavaa U-235-isotooppia, loppu on pääasiassa isotooppia U-238. Useimmat reaktorit käyttävät korkeammin väkevöityä polttoainetta, jota varten U-235:n suhteellista osuutta uraanissa täytyy kasvattaa noin 3–5 %:iin. Koska eri isotoopit käyttäytyvät kemiallisesti identtisesti, väkevöinnissä hyödynnetään uraanin eri isotooppien atomien pienenpientä massaeroa U-238:n ollessa hieman raskaampi. Väkevöintiä varten uraanirikaste tai Ammoniumdiuranaatiksi (NH4)2U2O7 muunnetaan uraaniheksafluoridiksi (UF6), joka on kaasu yli 50 °C:ssa. Tätä kutsutaan konversioksi. Väkevöinti tapahtuu joko kaasudiffuusiolla tai sentrifugien avulla. Tyypillisesti voimalaitoskäyttöön kevytvesireaktoreiden polttoaineeksi tarkoitettu uraani väkevöidään noin 3–5 %:iin. Ydinaseita valmistettaessa samalla jalostusprosessilla tuotetaan ydinpommiin soveltuvaa yli 90 %:sti väkevöityä uraania, mutta väkevöintiasteeltaan alhaisempi tavallinen ydinpolttoaine ja luonnonuraani ovat sellaisenaan kelvottomia asekäyttöön. Väkevöinti tuottaa runsaasti köyhdytettyä uraania. Köyhdytettyä uraaniheksafluoridia, jossa 235U-pitoisuus on alle 0,2 %, syntyy noin 88 % koko käytettävästä uraaniheksafluoridista, kun rikastusaste on reaktorikäyttöön vaadittava 3–5 %. 
Polttoaineen valmistus.
Väkevöity uraaniheksafluoridi muunnetaan uraanidioksidiksi (UO2), joka on olomuodoltaan keraaminen, kiinteä jauhe. Uraanioksidi puristetaan ja sintrataan keraamisiksi tavallisesti sylinterinmuotoisiksi napeiksi, jotka ovat tilavuudeltaan yleensä alle kuutiosenttimetrin kokoisia. Kustakin napista voidaan tuottaa sähköä noin 10 000 kilowattituntia. Uraaninapit pinotaan zirkoniumsauvoihin, jotka hitsataan umpinaisiksi ja kootaan nipuiksi. Tämän jälkeen polttoainenippu toimitetaan voimalaitokseen käytettäväksi.
Uraanioksidiin saatetaan sekoittaa plutoniumdioksidia, jolloin tuloksena on sekaoksidipolttoaine eli MOX-polttoaine. Plutoniumia saadaan pääasiassa joko käytetyn ydinpolttoaineen jälleenkäsittelystä tai ydinasemateriaaleista. Polttoainekäyttöä varten plutoniumpitoisuus laimennetaan noin 3 %:iin. Ydinreaktorissa plutonium muuttuu kelvottomaksi asekäyttöön, joten plutoniumin käyttäminen ydinpolttoaineena on muodostunut yleiseksi tavaksi varmentaa, että ydinaseriisunnasta vapautuva plutonium ei palaa aseisiin. MOX-polttoaineen käyttämiseen tavallisessa reaktorissa vaatii reaktorin muokkaamisen MOX-polttoainkäyttöön soveltuvaksi ja uudelleenlisensoinnin. Tavallisessa U-235-ydinreaktioon perustuvassa ydinreaktorissa Plutonium-239 poistuu käytetyn polttoaineen mukana reaktorista n. 1 %, eikä sitä enää hyödynnetä energiantuottoon. Suomessa ei ole MOX-polttoaineen käyttöön lisensoituja reaktoreita.
Polttoaineen käyttö.
Ydinpolttoaine, eli uraanioksidisauvat, jotka sisältävät noin 4 % 235U-isotooppia, lopun uraanin ollessa 238U-isotooppia, ladataan ydinreaktoriin, jossa se osallistuu ydinreaktioihin tyypillisesti useiden vuosien ajan. Ydinreaktiossa ydinpolttoaineen 235U-isotooppipitoisuus laskee 4 %:sta noin 0,8 % kun 235U-nuklidit hajoavat pienemmiksi ytimiksi vapauttaen energiaa. 238U-nuklidit eivät hajoa ja eivät siis tuota energiaa, mutta noin 1 % 238U-isotoopista voi absorboida neutronin ja muuttua beta-hajoamisen seurauksena 239Pu isotoopiksi. Kun ydinpolttoaineen 235U-pitoisuus on alle 0,8 %, pidetään polttoainetta käytettynä ja se poistetaan reaktorista.
Tavallisesti polttoainetta siirretään reaktorissa optimaalisen ”palamisen” aikaansaamiseksi kerran vuodessa polttoaineenvaihdon yhteydessä, jotta Fissiilien aineiden väheneminen otettaisiin huomioon reaktion säätelyssä.
Ydinvoimaloiden teho ja hyötysuhde ovat parantuneet vuosikymmenien kuluessa. Nykyisin ydinreaktorin lämpötehosta voidaan muuttaa uusimman käytössä olevan tekniikan avulla noin 37 % sähkötehoksi, lopun energian siirtyessä lämpönä mereen. Parannukset johtuvat käytettävän höyryturbiinitekniikan ja höyry/vesikierron kehityksestä sekä itse reaktorin kehityksestä. Olkiluodon kolmas ydinvoimala tuottaa 1 600 MW tehon 32 tonnin vuotuisella polttoainekulutuksella, kun vanhempaa tekniikkaa edustavat Olkiluoto 1 ja 2 ovat tuottavat 880 MW sähkötehon noin 20 tonnin polttoainekulutuksella. Uudessa ydinvoimalassa varsinaisen polttoaineen, eli fissiokelpoisen U235:n, käyttö on siis tehokkaampaa, mutta vastaavasti myös muodostuva ydinjäte on radioaktiivisempaa. 
Käytetty polttoaine.
Ydinpolttoaine poistetaan reaktorista kun 235U-isotoopin osuus polttoaineesta on alle 0,8 %. Tällöin polttoaine on voimakkaasti radioaktiivista ja tuottaa suuria määriä lämpöä, joten sitä säilytetään vesialtaassa reaktorin lähellä. Vesi jäähdyttää polttoaineen ja toimii säteilysuojana. Jo muutama metri vettä riittää pysäyttämään lähes kaiken säteilyn, jota polttoaineesta lähtee. Lyhytikäiset ja siksi voimakkaasti radioaktiiviset fissiotuotteet polttoaineessa hajoavat nopeasti, jolloin säteily ja lämmöntuotanto heikkenevät. Ensimmäisenä vuonna reaktorista poiston jälkeen polttoaineen aktiivisuus laskee nopeasti alle sadasosaan alkuperäisestä, mutta säteilyn voimakkuus on kuitenkin lähietäisyydellä edelleen vaarallisen korkea. Käytetyn ydinpolttoaineen lämpöenergiaa ei hyödynnetä sähköenergian tuottoon.
Kun käytetyn polttoaineen lämmöntuotanto ja säteily ovat vähentyneet tarpeeksi, se siirretään välivarastoon säilytettäväksi vesialtaissa. Koska ydinpolttoainetta kuluu hyvin pieniä määriä (alle 0,03 %) suhteessa tuotettuun energiaan, sen säilyttäminen ei ole teknisesti tai taloudellisesti ongelmallista. Esimerkiksi Eurajoen Olkiluodossa TVO:n ydinvoimaloiden käytetyn ydinpolttoaineen välivarasto sijaitsee meren rannassa ja se sisältää noin 1 200 tonnia korkea-aktiivista ydinjätettä varastoituna maanpäällisiin vesialtaisiin. Vesialtaiden tehtävä on kuljettaa pois jälkilämpöä ja vaimentaa polttoaineen säteily.
Kuljetukset.
Käyttämätön ydinpolttoaine säteilee vain hyvin vähän eikä sen käsittelyssä vaadita säteilysuojelutoimia. Ydinpolttoainetta voidaan vähällä vaivalla kuljettaa suuriinkin energiantarpeisiin polttoaineen korkean energiapitoisuuden vuoksi. Rekkalastillinen ydinpolttoainetta vastaa energialtaan noin kymmentä miljoonaa hiilitonnia eli yli 100 000 hiilirekkaa. Meri-, maantie- ja laivakuljetukset ovat yleisiä.
Käytetty ydinpolttoaine on voimakkaasti säteilevää ja kehittää lämpöä vielä reaktorista poistonkin jälkeen. Tämän vuoksi säteilysuojelusta ja jäähdytyksestä on huolehdittava kuljetuksissa. Polttoaineen lämmöntuotanto ja säteily vähenevät itsestään ajanoloon. Kun ne ovat noin 20 vuoden kuluessa vähentyneet tarpeeksi, polttoainetta voidaan siirrellä ja kuljettaa pitkiäkin matkoja. Vaikka säteily on heikentynyt huomattavasti, säteilysuojelutoimet ovat edelleen tarpeen polttoainetta käsiteltäessä. Kuljetuksessa käytetään tukevia terässäiliöitä, joiden seinämät ovat tarpeeksi paksut vaimentaakseen säteilyn turvalliselle tasolle. Polttoaine on edelleen olomuodoltaan kiinteää, keraamista ainetta, joten sen karkaaminen tai vuotaminen nesteiden tai kaasujen tapaan ei ole riski.
Polttoaineen ominaisuudet – kiinteä, palamaton ja liukenematon olomuoto – sekä kuljetussäiliöiden hyvä onnettomuudensietokyky tekevät paikallisen säteilyvaaran syntymisen onnettomuustilanteessa hyvin epätodennäköiseksi. Tiettävästi tällaista ei ole sattunut kertaakaan. Sen sijaan tavanomaisia liikenneonnettomuuksia käytetyn polttoaineiden kuljetusten historia tuntee. Kuljetuksiin liittyvä tavanomaisen liikenneonnettomuuden riski onkin itse asiassa huomattavasti korkeampi verrattuna ydinaineisiin liittyvään riskiin.
Polttoaineen kehittämä lämpö absorboituu kuljetussäiliön rakenteisiin ja siirtyy siitä ympäristöön. Usein kuljetussäiliöissä on lämpöenergian poistoon tarkoitettuja jäähdytysripoja.
Kuljetettavat polttoainemäärät mahtuvat pieneen tilaan ydinpolttoaineen pienen kulutuksen takia. Kokonaisen maan energiahuolto onnistuu suhteellisen vähin kuljetuksin. Esimerkiksi Japani toimittaa jälleenkäsittelyyn käytettyä ydinpolttoainetta Ranskaan – tämä onnistuu yhdellä laivalla aika-ajoin tehtävin kuljetuksin. Maailmalla tehdään silloin tällöin käytetyn polttoaineen rautatie-, maantie- ja laivakuljetuksia. Myös Suomessa on kuljetettu käytettyä polttoainetta lyhyitä matkoja maantiellä ja pidempiä matkoja junalla. Ruotsissa kuljetuksia tehdään laivalla.
Polttoainekierron loppupää.
Jätehuollon vaihtoehdot.
Käytetyn ydinpolttoaineen jätehuollolle on olemassa tai ehdotettu lukuisia erilaisia ratkaisuja. Noin 95 prosenttia käytetystä polttoaineesta voidaan kierrättää jälleenkäsittelyllä, jota tehdään muun muassa Ranskassa ja Japanissa. Muista jätehuollon vaihtoehdoista geologinen loppusijoitus on merkittävin ja kustannuksiltaan edullisin. YK:n alaisen Kansainvälisen atomienergiajärjestön, OECD:n ydinenergiajärjestö NEA:n, ja Euroopan yhteisöjen yhteinen kanta on, että
Vuodesta 1978 NEA on koonnut yhteen jäsenmaitaan edustavista asiantuntijoista ydinjätehuoltokomitean (Radioactive Waste Management Committee, RWMC) kehittämään ydinjätehuollon suuntaviivoja. RWMC:n mukaan alan asiantuntijoiden parissa vallitsee laaja yhteisymmärrys siitä, että loppusijoituksen suunnittelulla voidaan saavuttaa riittävä turvallisuustaso pitkälle tulevaisuuteen ja että ydinsähköstä hyötyneiden sukupolvien velvollisuus on toteuttaa ydinjätehuolto kestävällä tavalla. Asiantuntijoiden luottamus geologisen loppusijoitukseen on jäsenmaissa vahvistettu lukuisissa kansallisissa turvallisuusselvityksissä ja ympäristölupaprosesseissa. RWMC myös tunnistaa yhtä suopean suhtautumisen olevan harvinaisempaa vähemmän asiaa tuntevien parissa.
Myös YK:n Agenda 21 -ohjelmajulistuksessa kannustetaan jäsenmaita keskittymään geologisen loppusijoituksen tutkimiseen sen ympäristö- ja turvallisuusetujen vuoksi. Toistaiseksi käytetyn polttoaineen loppusijoitusta ei ole toteutettu missään, mutta loppusijoitushankkeita on käynnissä useissa maissa, muun muassa Ranskassa, Yhdysvalloissa, Saksassa, Ruotsissa ja Suomessa.
Greenpeace vastustaa ydinjätteen geologista loppusijoitusta koska järjestö esittää että ydinjätettä voisi päätyä pohjaveteen. Greenpeace vaatii jätteen säilömistä maanpäällisiin varastoihin ydinvoimaloiden yhteyteen, kunnes turvallisempi loppusijoitusratkaisu on löydetty.
Jälleenkäsittely.
Ydinpolttoaineessa ”palavat” käytön aikana lähinnä tuoreen polttoaineen sisältämät fissiilit aineet. Koska polttoaine on pääasiassa ketjureaktioon osallistumatonta isotooppia U-238 ja koska osa fissiileistä aineista jää palamatta ja edelleen koska osa U-238:sta muuttuu neutronikaappauksen ja beeta-hajoamisen kautta fissiiliksi plutonium-239:ksi, on itse asiassa suurin osa käytetystä ydinpolttoaineesta mahdollista kierrättää ja käyttää uudestaan polttoaineena. Kaikkiaan yli 95 % käytetystä polttoaineesta on mahdollista palauttaa polttoainekiertoon jälleenkäsittelyllä, mikä tekee ydinpolttoainekierrosta suurimmaksi osaksi suljetun ja kutistaa entisestään käytetyn polttoaineen loppusijoitustarvetta.
Jälleenkäsittelyssä uraani ja plutonium eristetään käytetystä polttoaineesta ja jäljelle jäävä osa, noin 5 %, jää jätteeksi. Tästä pääosa on uraanin fissiotuotteita. Jälleenkäsittely alkaa polttoainesauvojen mekaanisella aukileikkaamisella. Seuraavaksi yleisimmässä Purex-prosessissa polttoaine liuotetaan nesteeseen voimakkaan typpihapon avulla. Uraani, plutonium ja fissiotuotteet erotellaan toisistaan kemiallisesti tributyylifosfaatin ja kerosiinin seoksella. Saatu uraani ja plutonium käytetään uuden ydinpolttoaineen valmistuksessa. Fissiotuotteet eristetään korkea-aktiivisena jätteenä.
Jälleenkäsittely mahdollistaa käytetyn ydinpolttoaineen 95-prosenttisen kierrätyksen. Siksi polttoainetta kierrätetään Britanniassa, Ranskassa, Venäjällä ja Japanissa, jotka jälleenkäsittelevät myös ulkomailta, muun muassa Saksasta, tuotua polttoainetta. Jälleenkäsittely tuottaa sekaoksidipolttoainetta (MOX), jossa osa polttoaineen uraanioksidista on korvattu plutoniumilla. Sekaoksidipolttoaineen käyttö on myös tärkeä osa aseistariisuntaa. MOX-polttoaineessa voidaan käyttää myös ydinaseista peräisin olevaa plutoniumia, jolloin siitä voidaan ydinpolttoaineena hävittää noin 30 % ja muuttaa loput ydinaseisiin sellaisenaan kelpaamattomaan muotoon.. Ilman asemateriaalien tuhoamista on ydinaseriisuntaa on hankala varmentaa, joten aseistariisunnan osapuolet yleensä hävittävät ydinaseita nimenomaan muuttamalla niitä polttoaineeksi. Sekaoksidipolttoaineen raaka-aineet tulevat siis joko kierrätyksestä tai aseistariisunnasta.
Eräät ydinvoimaa vastustavat järjestöt esittivät vuonna 1999 vastalauseen ydinaseriisunnan toteutukselle MOX-polttoaineen käytön kautta. Heidän mukaansa ratkaisu on tehoton ja he epäilevät sen lisäävän riskiä ydinaseiden leviämiseen. Aseplutoniumin varastointi turvallisiin kohteisiin on esitetty vaihtoehtona MOX-polttoaineen käytölle. Vastalause ei kuitenkaan johtanut käytännön muuttamiseen, vaan ydinaseriisuntasopimusten mukaisesti ydinräjähteitä hävitetään aktiivisesti Yhdysvalloissa ja Venäjällä nimenomaan MOX-polttoaineena. Yhdysvaltojen sähköntuotannosta noin 10 % on peräisin hävitettävistä ydinaseista saatavasta ydinpolttoaineesta, mikä vastaa noin puolta maan kaikesta ydinsähköstä.