MOX燃料
プルトニウムを1回リサイクル(プルサーマル)すると、元のウランから得られるエネルギーは約12%増加し、さらにウラン235を再濃縮してリサイクルすると約20%増加する 。 さらにリサイクルを重ねると、核分裂性(通常は奇数中性子数を意味する)の核種の割合が減少し、偶数中性子数の中性子吸収性の核種が増加するため、プルトニウムや濃縮ウランの割合を増やす必要がある。現在の熱中性子炉では、プルトニウムはMOX燃料として一度だけリサイクルされ、マイナーアクチノイド(プルトニウム以外のアクチノイド)やプルトニウム同位体の割合が高い使用済みMOX燃料は高レベル放射性廃棄物として保管されている。
MOX燃料を使用すると原子炉の運転特性が変化するため、既存の原子炉にMOX燃料を導入するには、制御棒の数を増やすなど、原子炉の新たな設計や改造が必要となる。多くの場合、燃料の3分の1から半分をMOXに入れ替えて運転されるが、50%以上のMOXを使用する場合は、大幅な設計変更が必要となり、それに合わせて原子炉を設計せねばならない。
1986年-1995年にかけて、少数のMOX燃料を使用して、健全性を確認する試験運転が実施された。
日本原子力発電(株)敦賀原子力発電所1号機
関西電力(株)美浜原子力発電所1号機
ウランを使用した原子炉では、ウラン235などのウラン同位体の核分裂と、主にウラン238による中性子捕獲による新たな重い同位体が形成されている。原子炉の燃料質量のほとんどはウラン238であり、中性子捕獲と2回のベータ崩壊により、ウラン238はプルトニウム239となる。これが、さらに中性子を捕獲し、プルトニウム240、プルトニウム241、プルトニウム242、さらにベータ崩壊した後に、その他の超ウラン核種やアクチノイド核種になる。プルトニウム239とプルトニウム241は、ウラン235と同様に核分裂する。少量のウラン236、ネプツニウム237、プルトニウム238も同様にウラン235から生成される。
燃料は数年ごとに交換されるため、プルトニウム239のほとんどは原子炉内で消費される。プルトニウム239の振る舞いはウラン235と同様だが、核分裂の断面積がやや大きく、核分裂によって同程度のエネルギーを放出する。通常、原子炉から排出される使用済み燃料の約1%がプルトニウムで、そのうちの約3分の2がプルトニウム239である。こうして世界では、毎年100トン近くの使用済み燃料中のプルトニウムが発生している。