核燃料可在核反應堆中通過核裂變或核聚變產生實用核能的材料。重核的裂變和輕核的聚變是獲得實用鈾棒核能的兩種主要方式。鈾－235、鈾－233和钚－239是能發(fā)生核裂變的核燃料，又稱裂變核燃料。其中，鈾－235存在于自然界，而鈾－233、钚－239則是釷－232和鈾－238吸收中子后分別形成的人工核素。廣義上說，釷－232和鈾－238也是核燃料。氘和氚是能發(fā)生核聚變的核燃料，又稱聚變核燃料。氘存在于自然界，氚是鋰－6吸收中子后形成的人工核素。核燃料在核反應堆中“燃燒”時產生的能量遠大于傳統(tǒng)燃料，1千克鈾－235完全裂變時產生的能量約相當于2　500噸煤燃燒釋放出的能量。

乏燃料是指核燃料在堆內經中子轟擊發(fā)生核反應后的剩余物質。乏，有疲乏之意，意思是燃料棒的大部分能量已經被使用掉了，但是還有剩余能量可以使用。核燃料在堆內經中子轟擊發(fā)生核反應，經一定時間從堆內卸出。它含有大量未用完的可增殖材料鈾－238或釷－232，未燒完的和新生成的易裂變材料钚－239、鈾－235或鈾－233，以及核燃料在輻照過程中產生的镎、镅、鋦等超鈾元素，另外還有裂變元素鍶－90、銫－137、锝－99等。經過冷卻后把有用核素提取出來或把乏燃料直接儲存。

核燃料與乏燃料兩者之間的關系，以最常見的壓水堆核電站為例，核燃料采用的鈾是低濃縮鈾，其中含裂變材料鈾－235的含量為3%（稱為富集度，天然鈾的鈾－235富集度為0.714%）。核燃料的形式為由鈾混合物粉末燒結成的二氧化鈾陶瓷芯塊。陶瓷芯塊為直徑1厘米、高度1厘米的圓柱體。幾百個芯塊疊在一起裝入直徑1厘米、長度約4米、厚度為1毫米左右的細長鋯合金材料套管內，因為核裂變反應就像是在燃燒原子。核燃料一經在核電廠使用發(fā)電后，即成為“乏燃料”并等待進一步處理，或者送往后處理設施從廢物中回收其中所含的鈾和钚，或者存放在中間儲存設施或放入“最終處置庫”進行最終解決。