Việc lưu giữ và chôn hủy chất thải hạt nhân an toàn vẫn còn là một thách thức và chưa có một giải pháp thích hợp. Chất thải quan trọng nhất phát sinh từ các nhà máy năng lượng hạt nhân là nhiên liệu đã qua sử dụng.

Một lò phản ứng công suất 1000 MWe tạo ra khoảng 20 mét khối (khoảng 27 tấn) nhiên liệu đã qua sử dụng mỗi năm, nhưng nếu được tái chế thì chỉ còn 3 mét khối. Thành phần chủ yếu gồm uranium không chuyển hóa cũng như một lượng khá lớn các actinit có tính phóng xạ cao (phần lớn là plutonium và curium).

Ngoài ra còn có khoảng 3% là các sản phẩm phân hạch từ các phản ứng hạt nhân. Các chất actinit (uranium, plutonium, và curium) có tính phóng xạ kéo dài, trong khi các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn hơn.

Sau khi khoảng 5% một thanh nhiên liệu đã phản ứng bên trong lò phản ứng hạt nhân thì thanh nhiên liệu đó không thể sử dụng làm nhiên liệu được nữa (do sự tích tụ các sản phẩm phân hạch), vì vậy ngày nay các nhà khoa học đang thí nghiệm để tái sử dụng các thanh nhiên liệu này nhằm giảm lượng chất thải phóng xạ và sử dụng các actinit còn lại làm nhiên liệu (tái chế quy mô lớn hiện đã thực hiện ở nhiều nước).

Ban đầu, nhiên liệu đã qua sử dụng có tính phóng xạ rất cao vì vậy phải rất thận trọng trong khâu vận chuyển hay tiếp xúc với nó. Tuy nhiên, tính phóng xạ sẽ giảm cùng với thời gian. Sau 40 năm, thông lượng bức xạ thấp hơn 99,9% so với thời điểm nhiên liệu chấm dứt hoạt động.

Tuy nhiên 0,1% còn lại vẫn có mức độ phóng xạ nguy hiểm. Theo tiêu chuẩn của Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ, sau 10.000 năm phân rã phóng xạ, nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng mới không còn là mối đe dọa đối với sự an toàn và sức khỏe cộng đồng.

Sau khi được tách ra, các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng được chứa trong các bồn chứa có vỏ bọc (bể chứa nhiên liệu đã sử dụng), thường ở ngay tại nhà máy. Nước được sử dụng để làm lạnh các sản phẩm phân hạch vẫn còn phân rã và cũng là vỏ chắn tia phóng xạ ra môi trường.

Sau một khoảng thời gian (thường là 5 năm đối với các nhà máy tại Hoa Kỳ) nhiên liệu đã trở nên lạnh hơn và ít phóng xạ hơn sẽ được chuyển đến nơi bảo quản khô, ở đây nhiên liệu được chứa các côngtenơ bằng thép và bê tông.

Hầu hết các chất thải phóng xạ của Hoa Kỳ hiện vẫn được bảo quản tại nơi phát sinh, trong khi các phương pháp chôn hủy vĩnh viễn thích hợp vẫn đang được bàn luận.

Lượng chất thải phóng xạ mức độ cao có thể giảm thiểu bằng nhiều cách, đặc biệt là thông qua tái chế hạt nhân. Tuy nhiên, lượng chất thải còn lại vẫn có độ phóng xạ đáng kể sau ít nhất 300 năm ngay cả khi đã loại bỏ các actinit, và kéo dài đến hàng ngàn năm nếu chưa loại bỏ các actinit.

Thậm chí nếu đã tách được tất cả các actinit và sử dụng các lò phản ứng tái sinh nhanh (fast breeder) để phá hủy bằng biến đổi các nguyên tố không thuộc nhóm actinit có tuổi thọ dài hơn, các chất thải vẫn cần được cách ly với môi trường từ một đến vài trăm năm, cho nên chất thải phóng xạ này được xếp vào nhóm có tác động lâu dài.

Các lò phản ứng hợp hạch cũng có thể làm giảm thời gian chất thải cần được bảo quản. Có lập luận cho rằng giải pháp tốt nhất đối với chất thải hạt nhân là lưu giữ tạm thời trên mặt đất do công nghệ phát triển rất nhanh và lượng chất thải này có thể trở nên có giá trị trong tương lai.

Ngành công nghiệp hạt nhân cũng tạo ra một lượng lớn các chất thải phóng xạ cấp thấp ở dạng các công cụ bị nhiễm phóng xạ như quần áo, dụng cụ cầm tay, chất keo làm sạch nước, máy lọc nước, và chính các vật liệu xây lò phản ứng.

Tại Hoa Kỳ, Ủy ban điều phối hạt nhân (Nuclear Regulatory Commission) đã thử xem xét để cho phép coi các vật liệu phóng xạ mức thấp giống như chất thải thông thường như chất thải ở các bãi rác, có thể tái chế. Hầu hết chất thải mức thấp có độ phóng xạ rất thấp và bị coi là chất thải phóng xạ là do lịch sử xuất xứ của chúng.

Xem thêm: Năng lượng hạt nhân – tổng hợp, phân hạch hạt nhân

Ở các quốc gia có năng lượng hạt nhân, chất thải phóng xạ chiếm chưa đến 1% trong tổng lượng chất thải công nghiệp độc hại. Nhìn chung, nếu so sánh về khối lượng năng lượng hạt nhân tạo ra ít chất thải hơn so với các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch.

Các nhà máy đốt than đặc biệt tạo ra những khối lượng lớn tro độc hại và có độ phóng xạ mức nhẹ do sự cô đặc các kim loại xuất hiện tự nhiên và các vật liệu phóng xạ nhẹ có trong than.

Một báo cáo của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Hoa Kỳ đã kết luận rằng, mức độ chất thải phóng xạ xả ra môi trường từ các nhà máy điện chạy bằng than cao hơn so với vận hành nhà máy điện hạt nhân, tính bình quân liều lượng phóng xạ ảnh hưởng đến dân số từ các nhà máy điện sử dụng than cao gấp 100 lần so với các nhà máy điện hạt nhân hoạt động theo đúng tiêu chuẩn.

Thực tế là tro than có mức độ phóng xạ thấp hơn nhiều so với chất thải hạt nhân, nhưng tro lại được thải trực tiếp vào môi trường, trong khi các nhà máy điện hạt nhân sử dụng các biện pháp cách ly bể lò phản ứng, bể chứa các thanh nhiên liệu và chất thải phóng xạ ngay tại nhà máy để bào vệ môi trường.

Chôn lấp chất thải hạt nhân được coi là điểm yếu của ngành công nghiệp này. Hiện tại, chất thải chủ yếu vẫn được bảo quản tại nơi xây dựng các nhà máy điện hạt nhân và có hơn 430 địa điểm trên thế giới, nơi có vật liệu phóng xạ vẫn đang tiếp tục tích tụ.

Các chuyên gia đều nhất trí rằng các chỗ chôn tập trung dưới mặt đất được quản lý, canh phòng và giám sát tốt sẽ là một sự cải thiện to lớn. Mặc dù có một sự đồng thuận nhất trí cao về tính thích hợp của việc bảo quản chất thải hạt nhân tại các chỗ chôn sâu dưới lòng đất, nhưng hiện nay vẫn chưa có quốc gia nào trên thế giới xây dựng được một nơi như vậy.

Xem thêm: Chất thải phóng xạ hạt nhân – Phân loại, xử lý, tái chế

Việc tái chế chất thải phóng xạ có khả năng thu hồi được đến 95% lượng uranium và plutonium còn lại trong nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng, để trộn vào hỗn hợp nhiên liệu mới. Công đoạn này làm giảm lượng phóng xạ có thời gian phân rã lâu ở chất thải còn lại, do trong thành phần chủ yếu chỉ còn các sản phẩm phân hạch có thời gian tồn tại ngắn, về khối lượng có thể giảm đến hơn 90%.

Tái xử lý nhiên liệu dân dụng từ các lò phản ứng hạt nhân hiện đã được thực hiện với quy mô lớn ở Anh, Pháp và Nga (trước đây), sắp tới là Trung Quốc và có thể cả Ấn Độ, Nhật Bản đang tiến hành với quy mô ngày càng tăng. Việc tái xử lý vẫn chưa đạt được đầy đủ tiềm năng do nó cần có các lò phản ứng tái sinh, là loại lò chưa được thương mại hóa.

Pháp được xem là quốc gia khá thành công trong việc tái xử lý chất thải hạt nhân, nhưng trong số 28% lượng nhiên liệu tái chế sử dụng hàng năm trên thế giới, Pháp chỉ chiếm 7% và 21% được sử dụng ở Nga.

Tái chế chất thải hạt nhân không được phép ở Hoa Kỳ. Chính quyền của Tổng thống Obama không cho phép tái chế chất thải hạt nhân do những lo ngại liên quan đến phổ biến vũ khí hạt nhân. Tại Hoa Kỳ, nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng hiện tất cả đều được coi là chất thải.