铀是自然存在的一种重金属元素，最常见的同位素是铀238，但它不能用来进行核链式反应。核电站目前主要使用另一种同位素铀235作为链式反应的原料。要把自然界中直接可得的铀转化为核发电可用的铀燃料，需要做一些加工处理。

铀可以通过多种方法来开采，如露天矿和地下矿。由于成本低廉，美国的大多数铀矿都采取就地开采的办法，用泵从地下将溶解在地下水中的铀抽出。挖掘出来后，铀矿将被磨碎并用酸性溶液过滤，得到高纯度的二氧化铀粉末，也被称作“黄饼”。

核电站的操作员通常会买下黄饼，然后签订合同交给第三方对它进行浓缩。世界上有5家铀浓缩的商业企业，它们分别位于美国、加拿大、法国、英国和俄罗斯。

浓缩之后，铀被注入陶瓷的燃料芯块，并装进燃料棒中。核电站反应堆芯中使用的一个燃料单位就是这样的一捆方形或圆形的燃料棒。

当一份核反应堆燃料被用尽了，或者说没法再进行核链式反应时，它就必须被替换。通常标准的反应堆燃料替换周期从12个月到24个月不等，反应堆将停产几周来进行燃料补给和设备维护。

核废料中大部分为贫化铀（高达96%），还夹杂一些高放射性的元素，也就是核裂变的产物（比如铯和锶）及钚和镅。其中，头一个百年核废料的衰变与放射性主要以核裂变产物为主，其他成分在这之后还会延续几千年。

核燃料循环

传统的一次性燃料循环（美国目前采用的方法）包括浓缩铀燃料的使用以及核废料的处理。另外还有两种循环方式可供选择，即单程再利用法和全封闭循环法，后者是将来可能的技术。单程再利用法（目前在法国被使用）包括核废料的再加工，即将易裂变的铀和钚从废料中分离出来。这些物质可以被回收，再次做成核燃料。这种方法将减小需要处理的核废料的体积，但不一定能减少核废料的衰变热和放射性。

麻省理工学院的一项研究表明，单程再利用这种方法的成本要比一次性燃料循环的成本高。此外，全封闭循环法带来的好处无法抵消随之而来的安全性、经济性和环境保护问题。在全封闭循环法的一种建议方案中，将核废料和分离出来的铀、钚和其他具有长期放射性的元素一起再加工做成核燃料，这种方法减少了衰变热和放射性，降低了最终的核废料中放射性同位素的含量。

然而，这种方法下的核废料仍然需要长期处理，因为其中的核裂变产物和加工过程中产生的废料仍然具有长期性，还需要永久的地质处置。全封闭循环法还需要更先进的快速燃烧反应堆，这项技术目前还没有投入商业运营。从理论上讲，快堆产生的核废料可以被反复加工直到循环过程中所有的铀都转变为有用的燃料，而所有有用的燃料都完成了聚变。

特殊的挑战

虽然核能发电不直接排放温室气体和其他空气污染物，全过程中总体的温室气体产生量也比化石燃料要低，但核发电具有一些特殊挑战和风险。其中，最大的风险（虽然发生概率很低）就是堆芯熔毁。

自从20世纪50年代核能时代大幕开启以来，全球核电行业经历了三次重大的核反应堆事故和几次燃料循环设备故障事件，其中最近的一次是2011年日本福岛核反应堆事故。核反应堆的损坏对公共安全是一个巨大威胁，因为其放射性可以污染空气和地下水。迄今为止，包括商用核电反应堆在内美国还没有发生一起放射性直接伤害或致死的公共安全事件。

在美国，人们还对废燃料棒中放射性废弃物的存储问题感到担忧。在法国，废燃料棒中的钚元素被分离出来和铀一起加工，再次做成核反应堆的燃料。美国目前还没有采取对废燃料进行再加工的做法，一是担心废燃料中的钚元素会造成核武器的扩散，二是废燃料再加工的成本比一次性燃料循环要高。

目前,对废燃料棒的处理工作在核电站就地展开，先将废燃料棒放进一个特别设计的水池中冷却几年，然后再用干燥的储藏容器将它就地封装起来。就美国而言，关于这些核废料的储存是一个重大的公共政策问题。