Pärast tuumkütuse 1-2 aastast kasutamist reaktoris suureneb kütuses kildtuumade (tuumade lõhustumisel tekkinud väiksema massiga osakesed), väikeaktiniidide (tuumareaktsiooni käigus tekkivad keemilised elemendid massiarvuga 93-100) ja plutooniumi hulk, mille hulgas esineb tugevaid neutronineelajaid, mis reaktoris toimuvat ahelreaktsiooni pärssima hakkavad. Pärast 1-2. aastat vahetatakse tuumkütus uue vastu ning kasutatud tuumkütusekomplektid paigutatakse aastateks (kuni aastakümneks) jaama lähedale spetsiaalselt ehitatud vesi- või õhkjahutusega hoidlatesse. See võimaldab lühiealistel ning suures koguses soojust emiteerivatel kõrgema aktiivsusega radionukliididel laguneda tasemini, kus neid saab edasi töödelda ning pakendada. Kasutatud tuumkütus sisaldab 97% ulatuses elemente, mida saaks korduvalt kasutada ning vaid 3% ulatuses kildtuumasid, mis vajavad lõppladustamist.

Uraani saab taaskasutada, kui sellest koos plutooniumi ja väikeaktiniidega valmistada MOX-kütust (seguoksiidkütust), milles on lõhustuvateks ühenditeks nii U-235 kui ka Pu-239. Seejuures tekitatakse reaktoris selle töö käigus tuumkütust juurde, kuna neutronitega pommitades muundub uraani mittelõhustuv isotoop U-238 plutooniumiks (Pu-239). Selle elemendi puhul on tegemist plutooniumi lõhustuva isotoobiga, mis annab pea kolmandiku reaktoris toodetud energiahulgast.

Vaatamata asjaolule, et uraani on võimalik uuesti rikastamise teel taaskasutada, toimub kasutatud tuumkütuse ümbertöötlemine küllaltki väiksel määral (Prantsusmaal, Belgias, Venemaal, Jaapanis jm) ning peamiselt suunatakse kogu kasutatud tuumkütus lõppladustamisele. Tuumaenergeetikas eristatakse ühekordset, nn avatud tuumkütuse tsüklit ning suletud tsükliga süsteeme (vaata joonis 3). Praegusel ajal on tuumaenergeetikas põhiliselt kasutusel ühekordne (nn avatud) tuumkütuse tsükkel, kus kasutatud tuumkütus suunatakse (lõpp)ladustamisele. Seda põhjusel, et hetkel töösolevad reaktorid ei saa ümbertöödeldud tuumkütust väga efektiivselt kasutada. Saksamaal ning mõnes teiseski tuumaenergiat kasutavas riigis on poliitiline surve vaheladustuspaikade rajamiseks (lõppladustuspaikade asemel), et tulevikus kiirete neutronitega tuumareaktorite puhul oleks võimalik kasutatud tuumkütust taaskasutada, selle asemel, et see lõplikult maha matta. Sellise suletud tsükli korral töödeldakse tuumkütus ümber uueks kütuseks ning vaid väikene kogus läheb lõppladustamisele. Seega saab kasutatud tuumkütust pidada suureks energiaressursiks ning tehnoloogia arenedes võimaldaks see vastavat kütust korduvalt kasutada.

Joonis 3. Tuumkütuse tsükkel võib olla nii avatud (kasutatud tuumkütus suunatakse kohe ladustamisele) või suletud, kus tuumkütus suunatakse ümbertöötlemiseks ning ca 97% materjalist uuesti kasutusse.