บทความหลัก: วัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์ร้อนโดยทั่วไปขึ้นอยู่กับยูเรเนียมที่ถูกกลั่นและเสริมสมรรถนะ บางเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สามารถทำงานด้วยส่วนผสมของพลูโตเนียมและยูเรเนียม (ดู MOX) กระบวนการที่แร่ยูเรเนียมถูกขุดขึ้นมา, ผ่านกระบวนการผลิต, เสริมสมรรถนะ, ถูกนำไปใช้งาน, อาจจะถูกแปรสภาพและจำหน่ายทิ้งไป, เหล่านี้เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์

น้อยกว่า 1% ของยูเรเนียมที่พบในธรรมชาติเป็นไอโซโทปของ U-235 ที่สามารถทำปฏิกิริยาฟิชชั่นได้อย่างง่ายดาย และด้วยเหตุนี้การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ส่วนใหญ่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่มีสมรรถนะสูง สมรรถนะที่สูงนี้เกี่ยวข้องกับการเพิ่มขึ้นของจำนวนเปอร์เซ็นต์ของ U-235 และมักจะถูกทำด้วยวิธีการของการแตกตัวของแก๊ส (อังกฤษ: gaseous diffusion) หรือ การเหวี่ยงแก๊สเข้าสู่ศูนย์กลาง(อังกฤษ: gas centrifuge) ผลที่ได้จากการเสริมสมรรถนะจะถูกส่งต่อไปเปลี่ยนให้เป็นผงยูเรเนียมไดออกไซด์, ซึ่งจะถูกกดและยิงให้อยู่ในรูปแบบเม็ด เม็ดเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันเป็นหลอด ๆ แล้วจะถูกปิดผนึกซึ่งจะเรียกมันว่าแท่งเชื้อเพลิง (อังกฤษ: fuel rod) หลายแท่งเชื้อเพลิงเหล่านี้จะถูกใช้ในแต่ละเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เครื่องปฏิกรณ์ BWR และ PWR เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้ยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะที่ประมาณ 4% ของ U-235, และเครื่องปฏิกรณ์เชิงพาณิชย์บางเครื่องที่มีนิวตรอนเศรษฐกิจ (อังกฤษ: neutron economy) สูงไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่เสริมสมรรถนะเลย (นั่นคือพวกมันสามารถใช้ยูเรเนียมธรรมชาติได้) จากข้อมูลสำนักงานพลังงานปรมาณูระหว่างประเทศ, มีอย่างน้อย 100 เครื่องปฏิกรณ์วิจัยในโลกใช้เชื้อเพลิงสมรรถนะสูง (weapons-grade / ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ 90%) ความเสี่ยงจากการขโมยน้ำมันเชื้อเพลิงนี้ (อาจใช้ในการผลิตอาวุธนิวเคลียร์) ได้นำไปสู่​​แคมเปญการสนับสนุนการแปลงของประเภทของเครื่องปฏิกรณ์นี้ให้เป็นยูเรเนียมสมรรถนะต่ำ (ซึ่งเป็นภัยคุกคามน้อยกว่าการแพร่ขยาย)[37].

U-235 ที่ฟิชชั่นได้และไม่ฟิชชั่นแต่สามารถทำให้ฟิชชั่นได้และ U-238 ที่อุดมสมบูรณ์ทั้งหมดนี้ใช้ในกระบวนการฟิชชัน U-235 สามารถทำให้ฟิชชั่นได้โดยนิวตรอนร้อน (หรือเคลื่อนไหวช้า) นิวตรอนร้อนเป็นตัวที่มีการเคลื่อนไหวประมาณความเร็วเดียวกับอะตอมที่อยู่รอบตัวมัน เนื่องจากอะตอมทั้งหมดจะสั่นเป็นสัดส่วนกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของพวกมัน, นิวตรอนร้อนมีโอกาสที่ดีที่สุดที่จะฟิชชั่น U-235 เมื่อมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันกับการสั่นนี้ ในอีกด้านหนึ่ง U-238 มีแนวโน้มที่จะจับนิวตรอนเมื่อนิวตรอนที่มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วมาก อะตอมของ U-239 นี้จะสลายตัวในไม่ช้าเป็นพลูโตเนียม-239 ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงอีกแบบหนึ่ง Pu-239 เป็นเชื้อเพลิงทำงานได้และต้องมีหน้าที่รับผิดชอบ แม้ว่าเมื่อเชื้อเพลิงยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงจะถูกนำมาใช้ การฟิชชั่นของพลูโตเนียมจะมีอิทธิพลเหนือการฟิชชั่นของ U-235 ในเครื่องปฏิกรณ์บางตัว, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหลังจาก U-235 ที่ถูกจ่ายให้ตอนแรกถูกนำไปใช้แล้ว พลูโตเนียมสามารถฟิชชั่นได้ทั้งแบบนิวตรอนเร็วและนิวตรอนร้อน ซึ่งทำให้มันเหมาะสำหรับทั้งเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือระเบิดนิวเคลียร์

การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่มีอยู่ส่วนใหญ่เป็นเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนและมักจะใช้น้ำเป็นตัวหน่วงนิวตรอน (ตัวหน่วงหมายความว่ามันหน่วงความเร็วของนิวตรอนให้ช้าลงที่ความเร็วของความร้อน) และใช้น้ำเป็นตัวหล่อเย็น. แต่ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ fast breeder จะใช้ตัวหล่อเย็นเป็นอย่างอื่นซึ่งจะไม่ได้หน่วงหรือทำให้นิวตรอนช้าลงมากนัก นี่ทำให้นิวตรอนเร็วเหนือกว่า, ซึ่งสามารถถูกนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อเติมเต็มการจัดหาน้ำมันเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่อง โดยเพียงแค่วางยูเรเนียมที่ไม่ได้เสริมสมรรถนะและราคาถูกลงไปในแกนเช่นนั้น, U-238 ที่ไม่สามารถฟิชชั้นได้ก็จะกลายเป็น Pu-239, เป็นการ"ออกลูก"(อังกฤษ: breeding) เชื้อเพลิง

ในวัฏจักรเชื้อเพลิงทอเรียม ทอเรียม-232 ดูดซับนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์ทั้งแบบเร็วหรือแบบความร้อน ทอเรียม-233 จะสูญสลายแบบบีตาไปเป็นโพรโทแอกทิเนียม-233 แล้วก็เป็นยูเรเนียม-233 ซึ่งจะถูกนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิง ดังนั้น เหมือนยูเรเนียม 238 ทอเรียม-232 จึงเป็นวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ (อังกฤษ: fertile material) ตัวหนึ่ง

การจ่ายเชื้อเพลิงให้เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ปริมาณของพลังงานในอ่างเก็บเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะถูกแสดงบ่อยครั้งในแง่ของ "วันเต็มกำลัง" (อังกฤษ: full-power days) ซึ่งเป็นจำนวนของระยะเวลา 24 ชั่วโมง (วัน) ที่เครื่องปฏิกรณ์ตัวหนึ่งได้ถูกกำหนดตารางเวลาไว้สำหรับการดำเนินงาน ที่จะสามารถส่งออกพลังงานได้เต็มกำลังในการสร้างพลังงานความร้อน จำนวนวันเต็มกำลังในรอบการดำเนินงานของเครื่องปฏิกรณ์ (ระหว่างเวลาเติมน้ำมันครั้งหนึ่งจนถึงเติมน้ำมันครั้งต่อไป) จะเกี่ยวข้องกับปริมาณของยูเรเนียม-235 (U-235) ที่ฟิชชั่นได้ที่เก็บอยู่ในแท่งเชื้อเพลิงที่จุดเริ่มต้นของวงจร เปอร์เซ็นต์ที่สูงขึ้นของ U-235 ในแกนที่จุดเริ่มต้นของวงจรจะยอมให้เครื่องปฏิกรณ์ทำงานได้นานวันเต็มกำลังมากขึ้น

ในตอนท้ายของรอบการดำเนินงาน, เชื้อเพลิงในบางส่วนของแท่งจะถูก "ใช้" และถูกระบายออกไปและถูกแทนที่ด้วยแท่งเชื้อเพลิงใหม่(สด), แม้ว่าในทางปฏิบัติมันเป็นสาร buildup ของพิษจากปฏิกิริยา (อังกฤษ: reaction poison) ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่กำหนดอายุการใช้งานของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในเครื่องปฏิกรณ์ นานก่อนที่การฟิชชั่นที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะเกิดขึ้นได้, ตัว buildup ของนิวตรอนอายุยาวที่ดูดซับผลพลอยได้จากฟิชชันจะขัดขวางปฏิกิริยาลูกโซ่ ส่วนย่อยของแกนเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ที่ถูกเปลี่ยนในระหว่างการเติมเชื้อเพลิง โดยปกติจะเป็นหนึ่งในสี่สำหรับเครื่องปฏิกรณ์น้ำเดือด และเป็นหนึ่งในสามสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แรงดันน้ำ การจำหน่ายทิ้งและการจัดเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้วนี้ เป็นหนึ่งในด้านที่ท้าทายที่สุดของการดำเนินงานของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์ กากนิวเคลียร์นี้เป็นกัมมันตรังสีที่สูงและความเป็นพิษของมันจะเป็นอันตรายนับพัน ๆ ปี[26].

ไม่ใช่ทุกเครื่องปฏิกรณ์จะต้องปิดตัวลงเพื่อเติมเชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น เครื่องปฏิกรณ์ถังกรวด, เครื่องปฏิกรณ์ RBMK, เครื่องปฏิกรณ์เกลือหลอมละลาย, Magnox, AGR และ CANDU ยอมให้เชื้อเพลิงได้รับการเลื่อนผ่านเครื่องปฏิกรณ์ในขณะที่มันกำลังทำงานอยู่ ในเครื่องปฏิกรณ์ CANDU กระบวนการนี้ยังยอมให้องค์ประกอบของน้ำมันเชื้อเพลิงแต่ละส่วนที่จะติดตั้งอยู่ในแกนเครื่องปฏิกรณ์ที่เหมาะที่สุดกับปริมาณของ U-235 ในองค์ประกอบของเชื้อเพลิง

ปริมาณของพลังงานที่สกัดจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จะเรียกว่า burnup ซึ่งจะแสดงในแง่ของพลังงานความร้อนที่ผลิตต่อหน่วยน้ำหนักเริ่มต้นของน้ำหนักเชื้อเพลิง Burnup ทั่วไปจะถูกแสดงเป็นความร้อนเมกะวัตต์วันต่อเมตริกตันของโลหะหนักเริ่มต้น