El combustible nuclear produce energía cuando se fisiona en el núcleo del reactor, pero en cambio se generan productos de fisión radiactivos, plutonio y actínidos. En términos generales, cuando se saca del reactor, el combustible nuclear gastado posee una actividad 800 millones de veces mayor que la que tenía al entrar, cuando era sólo uranio. Su alta actividad obliga a aislarlo inmediatamente, por lo que se maneja siempre dentro de sistemas con blindaje biológico que atenúe la radiación hasta niveles admisibles por la legislación.
A corto plazo lo primero que se hace con el combustible gastado, al cual se le llama también indistintamente combustible irradiado o combustible quemado, es depositario en una piscina de almacenamiento que existe dentro del recinto de contención del reactor y a la que se llega por un canal de transferencia. En las piscinas, el agua que hay por encima del elemento sirve de blindaje biológico y además elimina el calor que se desprende de todo material con alta actividad.
Hace veinte años se admitía que el combustible gastado se iba a reelaborar en su práctica totalidad. La reelaboración es un proceso en que se separan selectivamente el uranio y el plutonio que quedan sin quemar en el combustible, dejando como residuos los productos de fisión y los actínidos. El uranio-235 y el plutonio-239 separados se reciclan a las fábricas de combustibles como material fisionable, cerrando así el ciclo del combustible nuclear con aprovechamiento total de los recursos energéticos.
Como residuos de la reelaboración quedan los productos de fisión y los actínidos, que posteriormente se solidifican por vitrificación y se encapsulan en cilindros de acero inoxidable constituyendo los únicos residuos de alta radiactividad que se derivan del ciclo del combustible nuclear, y que es necesario guardar aislados del entorno del hombre confinándolos en depósitos construidos en capas geológicas profundas hasta que pierdan su radiotoxicidad, lo cual se ha calculado que tarda 800 años.
En Francia funciona la planta de reelaboración de La Hague, propiedad de COGEMA, con dos unidades capaces de reelaborar 800 toneladas de combustible gastado al año, y en Inglaterra funciona otra planta en Seliafield, propiedad de BNF, con una capacidad análoga. Japón, -a su vez, está construyendo otra planta. Tanto COGEMA como BNFL ofrecen servicios de reelaboración a otros países, con la cláusula de retornarles los paquetes de residuos radiactivos, eventualmente.
Sin embargo, en los últimos quince años, debido a la abundancia y al abaratamiento del uranio, a las dificultades tecnológicas de la reelaboración y a la vitrificación, y a sus altos costes, que encarecen el -ciclo entre el 7 y el 10%, la reelaboración se ha cuestionado mucho. A título de ejemplo cabe decir que para fin de siglo se habrán descargado de los reactores LWR unas 120.000 toneladas de combustible, de las cuales no más del 20% serán reelaboradas. En el resto, los combustibles nucleares gastados serán considerados directamente como un residuo de alta actividad.