El combustible nuclear durante su estancia en el núcleo del reactor se encuentra sometido a una elevada irradiación neutrónica, transformándose su constitución a lo largo del tiempo.
Antes de introducir el combustible, se pueden caracterizar tres partes distintas:
a) El propio combustible (UO2).
b) La vaina.
c) Materiales estructurales (rejillas, tubos guía, etc.).
Todos estos materiales experimentan transformaciones, como se indica a continuación:
a) En el combustible (UO2) aparecen productos de fisión (P.F.), que en general son emisores a y b. Al desintegrarse dan lugar a familias de isótopos radiactivos, algunos de los cuales aparecen por primera vez, ya que no existen en estado natural. Por reacciones de captura neutrónica parte del U-235 pasa a U-236 y parte del U-238 se transforma en los elementos pesados, conocidos por transuránicos o actínidos (TRU), como plutonio, neptunio, americio y curio, caracterizados por ser emisores a. La radiactividad artificial que contiene el elemento combustible gastado cuando se saca del núcleo del reactor es 800 millones de veces la radiactividad natural que contenía cuando se introdujo.
b) A su vez, el plutonio generado (Pu-239) se fisiona en parte, pues es un elemento fisionable (1 g de Pu-239 equivale a 1 g de U-235) y contribuye a la generación de energía y al inventario de los productos de fisión. En la figura 110 se esquematizan las transformaciones que experimenta el combustible UO2 durante su estancia en el núcleo del reactor y cuya extensión depende del tiempo de permanencia y la irradiación, o sea, del grado de quemado.
c) El combustible nuclear se gasta. La aparición del U-236, los productos de fisión y los TRU limitan el grado de quemado, aunque aún queden U-235 y plutonio, porque interrumpen la reacción de fisión en cadena al captar neutrones (son venenos neutrónicos) y hay que sacar los elementos del núcleo del reactor y sustituirlos por nuevos en una operación que se llama descarga, que se hace una vez por año y en la que se renueva un tercio del número total de elementos que hay en el núcleo. Los elementos retirados se conocen por combustible irradiado, gastado o quemado.
d) En la vaina y en los materiales estructurales aparecen los denominados productos de activación, formados por reacciones de captura neutrónica por parte de algunos elementos constituyentes de los mismos, dando lugar a elementos radiactivos. El isótopo radiactivo más importante que se forma es el cobalto-60. También el níquel-68.
e) Se genera gran cantidad de energía. La figura 110 representa la transformación correspondiente a un quemado que ha dado lugar a la liberación de 790 millones de kilovatios hora de energía calorífica por tonelada de uranio, una tercera parte de la cual se convertirá en energía eléctrica.
Un reactor de 1000 MW de potencia produce entre 25 y 30 t de combustible irradiado por año. En el combustible irradiado está contenida más del 99,5% de la radiactividad artificial que se genera en la producción de energía eléctrica en las centrales nucleares. Supuesta la estanquidad de las vainas, todos los productos de fisión y los transuránicos quedarán en el combustible gastado, lo cual supone contener la más alta radiactividad específica (unos 2 millones de curios por t de uranio) de todo el ciclo del combustible nuclear.