使用済み核燃料
核燃料は、原子炉に装荷し燃焼させる(核分裂反応を持続させる)ことでその核エネルギーを取り出す、またはプルトニウム239を生成することができる。しかしながら核燃料は、
燃焼が進むにつれて、核分裂性のウランやプルトニウムが減少することによって中性子発生数と発熱量が低下し、核分裂生成物(特に希ガスや希土類)が大量に蓄積し、核分裂の持続的な燃えやすさ(余剰反応度)が低下する
燃料被覆管には、腐食や応力によるクリープ変形からくる寿命が存在する
といった理由から、核分裂性物質を使い果たす前の適当な時期に原子炉から取り出し、新しい核燃料と交換する必要がある。この取り出された核燃料を使用済み核燃料(spent nuclear fuel)と呼ぶ。
3%濃縮ウラン燃料 1t が燃える前の組成はウラン238が 970kg、ウラン235が 30kg であるが、燃焼後は、ウラン238が 950kg、ウラン235が 10kg、プルトニウム 10kg、生成物 30kg となる。
上記からわかるように使用済み核燃料の中には、大量の核分裂生成物と共に核分裂性物質や親物質が残存していることから、これらを回収して再び核燃料として利用するということが考えられる。天然ウランなどの原料を精製・加工することで核燃料を作り、それを原子炉で燃焼させ、その使用済み核燃料を再処理して再び核燃料として利用するという一連の核燃料循環過程は核燃料サイクル (nuclear fuel cycle) と呼ばれる。
一般的には原子炉で使用された後、冷却するために原子力発電所内にある貯蔵プール(英語版)で3年 - 5年ほど保管(湿式貯蔵)される。その後、核燃料サイクルに用いるために再処理工場に輸送されて処理が行われるか、乾式貯蔵施設(英語版)での長期保管(乾式貯蔵)が行われる。
日本においては青森県六ヶ所村に六ヶ所村核燃料再処理施設の建設が行われている。