Palivový cyklus je název pro proces, který zahrnuje:
- těžbu uranové rudy
- její chemické zpracování
- obohacování o 235U
- výrobu palivových článků
- využití paliva v reaktoru
- skladování vyhořelého paliva
- přepravu vyhořelého paliva
- přepracování paliva se získáním vzniklého 239Pu a nevyhořelého
235U, nebo hlubinné uložení do doby, kdy vyhořelé palivo přestává být
radioaktivní.
Palivový cyklus jaderných elektráren je poměrně složitý. Na rozdíl od uhlí, které se po malé úpravě může hned použít k výrobě elektřiny, musí totiž vytěžený uran projít řadou technologických procesů, než je možné ho použít jako paliva v jaderné elektrárně. Přesto jsou palivové náklady jaderné elektrárny nižší než náklady elektrárny spalující fosilní paliva. Je to dáno především vysokým energetickým obsahem uranu. Teoreticky nahradí 1 kg uranu 3 miliony kg černého uhlí. I když se v současných typech reaktorů využijí řádově jen procenta energetického obsahu uranu, nahradí 1 kg jaderného paliva až 100 tun černého uhlí.
Palivový cyklus začíná těžbou uranové rudy v hlubinných nebo povrchových dolech. Tuna zemské kůry obsahuje průměrně 3 g uranu, který se vyskytuje ve více než stovce nerostů. Ekonomicky těžitelná ruda obsahuje v současné době minimálně 1% uranu. Vytěžená ruda je rozdrcena, jemně rozemleta a výsledný produkt ještě bývá vyluhován roztokem kyseliny sírové. Po vysrážení se z roztoku získá koncentrát žluté barvy ve formě oxidu uranu U3O8, který je pro svůj vzhled označovaný jako "žlutý koláč". Roční produkce tohoto koncentrátu s obsahem uranu 75% činí asi 100 000 tun. Žlutý koláč se dále rafinuje až na čistý kov. Pro výrobu paliva je většinou třeba ještě čistý uran obohatit izotopem 235U z obsahu 0,7% na 2,5-5%. Protože izotopy nelze oddělit chemicky, využívá obohacení faktu, že atomy 235U jsou o 0,84% lehčí než atomy 238U. Nejrozšířenější metodou obohacení je difuze. Uran se převede na jedovatý a agresivní plyn hexafluorid uranu UF6. Tento plyn se stlačuje a prohání pórovitými přepážkami a využívá se toho, že lehčí částice 235UF6 proniknou pórovitou stěnou rychleji než 238UF6.
Obohacený plynný hexafluorid se ve speciálních kontejnerech dopravuje do závodů na výrobu palivových článků. Zde se přemění nejčastěji na pevný oxid uraničitý UO2, z něhož se vyrábí malé tablety o průměru přibližně 1,5 cm a délce několika centimetrů. Tablety se ukládají do několik metrů dlouhých trubek vyrobených ze speciálních slitin. Takto vzniklé palivové "proutky" se po desítkách montují do palivových kazet. Takto upravené palivo je připraveno k pobytu v reaktoru.
Celkově můžeme shrnout, že k získání 1 kg jaderného paliva, které nahradí až 100 tun kvalitního černého uhlí, jsou třeba jen 2 až 4 tuny uranové rudy.
Čas od času je v reaktoru třeba vyhořelé palivo vyměnit za čerstvé. Například z reaktoru o elektrickém výkonu 1000 MW se každoročně odstraňuje asi 28 tun vyhořelého paliva, které obsahuje 95% 238U, 3% štěpných produktů, 1% 235U a asi 1% nově vytvořeného plutonia. Pouze 3% štěpných produktů je možné považovat za skutečný odpad, zbytek může být po přepracování znovu využit jako palivo. Přepracování je ovšem v současné době technicky i ekonomicky velmi náročné.