A reaktorból kikerülő kiégett üzemanyag további sorsától függően az üzemanyagciklus lehet nyitott, vagy zárt, előbbinél a kiégett üzemanyagot nem használják fel, utóbbi esetében újrahasznosítják azt. A folyamatnak jelenleg négy általánosan elfogadott formája van:

– Nyílt üzemanyagciklus: ekkor a kiégett fűtőelemeket feldolgozás nélkül, véglegesen helyezik el egy ún. geológiai tárolóban, amit mélyen a föld alatt alakítanak ki. A fűtőelemeket itt hosszú ideig, akár több ezer évig is tárolják.

– Hagyományos, zárt üzemanyagciklus: itt a még hasadóképes uránt és plutóniumot tartalmazó kiégett üzemanyagot újra felhasználják. E folyamat – a reprocesszálás – során is visszamarad nagy aktivitású, hosszú élettartamú hulladék.

– Továbbfejlesztett, zárt üzemanyagciklus: ebben a folyamatban is reprocesszálják a kiégett fűtőanyagot, majd az így keletkező terméket alávetik a szétválasztási és transzmutációs eljárásnak, ami a hosszú felezési idejű termékek átalakítását jelenti. Ebben a folyamatban is keletkezik nagy aktivitású, biztonságos elhelyezésre váró hulladékanyag.

– Késleltetés: ezzel a megoldással a kiégett fűtőelemeket egy átmeneti tárolóban helyezik el, ahol megfelelő ellenőrzéssel a tárolás elvben meghatározatlan ideig fenntartható. Ez a stratégia azonban nem tekinthető végleges megoldásnak.

A nukleáris fűtőelemek gyártása öt folyamatból áll. Elsőként az uránércet mélyműveléssel, vagy uránban gazdag kőzetek esetén külszíni fejtéssel kibányásszák. Ez követően a kémiai ércdúsítás során a kinyert kőzetet előbb porrá őrlik, kénsavban feloldják, majd az oldatot leszűrik és ebből urán-oxid formájában nyerik ki az uránt. Így egy sárgás színű, por állagú anyagot kapnak, amit pogácsákká sajtolnak.

Ezután következik az atomreaktor fűtőanyagának előállítása, amelynek első részfolyamata a konverzió. Ennek során az uránt gáz halmazállapotú vegyületté, uránium-hexafluoriddá alakítják, amit aztán az izotópdúsításhoz használnak fel. A természetes urán túlnyomórészt 238-as izotópból áll és csak 0,71%-a a 235-ös izotóp, ami hasítható, azaz nukleáris reakció fenntartására képes. Ha ebben az összetételben használnák fel, akkor csak nehézvíz, vagy grafit segítségével lenne elérhető a reakció. Ezért a 235-ös uránatomok arányát dúsítani kell, hogy elérjék a 2-4%-ot, ilyen arányban dúsított a legtöbb ma működő atomerőmű által használt üzemanyag.

A dúsításra több módszert is kifejlesztettek, a két legelterjedtebb a gázdiffúziós és a gázcentrifugás eljárás, mindkettőben a konverzió során előállított uránium-hexafluoridot használják fel és mindkettőben az uránizotópok közötti tömegkülönbséget használják ki.  Nagyobb hatékonyság érdekében több egységet kapcsolnak egymás után a dúsítás során. A két módszer közül a gázdiffúziós eljárás az elterjedtebb, a gázcentrifugás módszer ugyanakkor hatékonyabb, mivel gazdaságosabban választja szét az izotópokat ezért ugyanakkor dúsítás eléréséhez kevesebb egységet kell egymás után kapcsolni. A centrifugába először bevezetik az uránium-hexafluoridot, amit a centrifugában nagy sebességgel forgó keverőlapát forgásra kényszerít. A kialakuló centrifugális erő miatt a nagyobb tömegű, 238-as izotópot tartalmazó molekulák a centrifuga fala felé mozognak, míg a könnyebb, 235-ös izotópot tartalmazó részecskék a centrifuga közepén dúsulnak fel.

Ezután következik a teljes folyamat ötödik része, a fűtőelemek gyártása. A feldúsított uránt tartalmazó uránium-hexafluoridot több lépésben urán-dioxiddá alakítják, amit egy szinterezésnek hívott eljárással pasztillákká préselnek. Ezeket a pasztillákat aztán üzemanyagpálcákba töltik, amelyeket kazettákba szerelnek. Ezek a kazetták kerülnek végül a reaktorokba.

A fűtőelem kazettákban a hasadóanyag mennyisége folyamatosan csökken, így az energiatermeléshez szükséges láncreakció csak egy meghatározott időtartamig működik. A felhasználhatóságuk végén a kiégett fűtőelemek a reaktorból kikerülnek, amelyeket először az atomerőművek területén található pihentető medencékbe helyeznek, majd néhány hónap elteltével szétszerelik őket és attól függően, hogy az adott országban milyen üzemanyagciklust alkalmaznak, az anyagok egy részét újrahasznosítják, másik részét, az ún. nagy aktivitású nukleáris hulladékot egy erre a célra kialakított geológiai tárolóban, mélyen a földfelszín alatt helyezik el.