实现全球核电增长前景，有赖于在世界各地建造和运营许多燃料循环设施。这里必须强调，生产核能需要的不仅仅是利用核裂变产热来发电所采用的反应堆蒸汽供应系统和相关的蒸汽发电设备。生产核能的工艺过程还包括铀矿开采、浓缩、燃料组件制造、废物处理和处置，以及最后设施去污和退役。工艺过程中所有环节都必须有详细规定，因为每一个步骤都涉及不同的技术、经济、安全和环境后果。各类文献中出现了大量不同的燃料循环方案，其中许多都在某种程度上已经有所应用。
为了对不同燃料循环进行独立分析，我们将其分为两种类型，即“开式”，如图17.3所示，以及“闭式”，如图17.4所示。接下来进行分别说明。
在“开式”或者叫做“一次通过”的燃料循环中，反应堆卸出的乏燃料被当作核废物(见图 17.3)。
当前，“闭式”类燃料循环中，反应堆卸出的乏燃料会进行再处理，产品被分离为铀(U)和钚(Pu)，钚适合用来制造成氧化物燃料或混合氧化物(MOX)燃料，从而重新循环入堆，如图17.4所示。乏燃料的剩余产物被视为高放废物。
未来，“闭式”燃料循环可能包括专用反应堆的使用，利用该反应堆转化从乏燃料分离出来的特定同位素(见图17.5)。
这种专用反应堆还可以用来增殖，原理是中子吸收效应生产新易裂变燃料的速度，超过了中子链式反应对易裂变燃料的消耗速度。
有几个国家已经探索过了增殖堆，主要是美国、法国、俄罗斯、日本和印度。如图17.5所描述的情况下，燃料循环的废物流将含有更加少量的锕系元素（例如，更少的镅(Am)、镎(NP)和锔(CM)），这会大大降低核废物的长期放射性。还有其他的选择，比如在亚临界装置中，使用加速器生产中子。
然而，总的来看开式和闭式这两类燃料循环，它们各有利弊，总结如下。我们认为，在成本和抗增殖方面，一次通过比闭式循环具有优势（因为没有再处理和锕系元素的分离）。在资源利用方面，闭式循环比一次通过具有优势（因为回收的锕系元素减少了对浓缩铀的需求），如果矿石价格非常高，则会更显经济。有人还认为，闭式循环对于长期废物处置也有好处，因为长寿命的锕系元素可以从裂变产物中分离出来，并在反应堆中转化了。接下来的分析将集中于这些关键点的比较。
一次循环和闭式循环都可以使用铀或钍作为燃料，并且可以用不同类型的反应堆，包括各种容量的轻水堆(LWRs)、重水堆 (HWRs)、超临界水冷堆(SCWRs)、高温和超高温气冷堆(HTGRs)、液态金属快中子增值堆 (LMFRs)和气冷快堆(GFRs)，或者熔盐反应堆(MSR) 。
目前，几乎所有已经部署的反应堆都是轻水堆(LWR)。采用新的反应堆或燃料循环，首次部署前将需要投入大量研发资源，以及一段时间的运行经验。
综上，核燃料循环可以概括为：
1.核燃料循环是包括利用核电反应堆的铀发电在内的一系列工业性工艺过程。
2.铀是一种世界各地都有发现的相对常见的元素，比较多的国家里正在进行开采，而且必须经过加工才能用作反应堆的燃料。
3. 燃料在使用寿命结束，从核反应堆卸出后，可以进行再处理，这样大部分燃料可被回收用于新燃料。与利用核反应堆发电有关的各种活动统称为核燃料循环。
核燃料循环从开采铀矿开始，到处置核废物结束。随着对乏燃料进行再处理成为核能的可能选择，这些过程连成了一个“真正的循环”。
为了制备核反应堆用的铀，铀要经历开采和削磨、转换、浓缩和燃料组件制造等过程。这些过程构成了核燃料循环的“前端”。
铀在反应堆中要待大约3年的时间来发电，此后，用过的燃料可能会经历一系列后续步骤，包括在废物处置之前的临时储存、后处理和再循环。这些步骤统称为核燃料循环的“后端”(见图 17.6)。
图17.6的示意是基于以下假设：235U富集度达到4.5%（尾料0.22%），浓缩过程需要182000SWU（分离功单位）（浓缩厂里，1SWU大约需要用电50kWh）；换料时，对于装载73t铀的堆芯，每年大约更换24.3tU（或者每18个月换36.5tU）；运行时，燃耗约为45GWd/tU；热效率33%。
事实上，不能指望核电反应堆达到100%负荷运转—为了良好的性能，更典型的是90%负荷运行—因此更现实的发电量大约是7.9TWh/年，但这仅仅意味着相应地将燃料投入缩减到190吨/年。对于现在的机组，则大约是147吨/年。
另外一种方案是采用较高的富集度（5%）和燃耗（比如AP1000或EPR），浓缩需要增加到198000SWU。由于热效率高，乏燃料里超铀元素和其他裂变产物的数量将略有降低。
根据加拿大计算出的单位发电量铀消耗（单位是tU/GWe/yr），加压重水堆（PHWRs）的铀需求和消耗略低于轻水堆。国际原子能机构（IAEA）的一份技术报告[1]则显示出，设定典型燃耗7.5GWd/t和热效率31%，则铀需求是157tU，容量因子90%时则是142tU，是上述典型LWR的80%，即17.9tU/TWh。
接下来看一下实际使用了多少天然铀，天然铀（Unat）中，易裂变的235U占0.7%，对应上面的“典型”情况：作为易裂变核素，0.49%的Unat制备进燃料，实际上约0.394%发生了裂变，此外，238U转化成的239Pu中也有大约一半发生裂变，从而导致初始的Unat的利用率大约为0.6%。
根据EPR数据：0.538%的Unat是易裂变核素，制备进入燃料，实际上0.452%发生了裂变，此外，238U转化成的239Pu中大约一半发生裂变，从而导致初始的Unat的利用率约为0.67%。
总之，在放射性废物的长期管理方面，核能还面临尚未解决的挑战。一个广义的核能工业未来面临的关键因素，是核燃料循环的选择——使用什么类型的燃料，又用什么类型的反应堆“燃烧”燃料——以及乏燃料的处理处置方法。
