우라늄이 광석으로 채굴되어 정련-변환-농축-가공단계를 거쳐 원자로에서 사용된 후 재처리, 재활용 및 고준위 폐기물로 영구처분되기까지의 전 과정을핵연료주기라 한다. 원자력발전소를 중심으로 이전 단계를 선행 핵연료주기, 발전소에서 타고 난 이후 단계를 후행 핵연료주기라고 한다.

정련(Uranium Ore Processing)은 우라늄 원광으로부터 우라늄 성분을 분리해내어 Yellow Cake라는 우라늄 정광을 만드는 작업이다. Yellow Cake는 화학식이 U3O8으로 우라늄 성분이 약 80% 함유되어 있고, 노란색의 분말이다.

변환은 Yellow Cake을 다시 한번 정제하여 핵연료 급의 순도를 갖는 우라늄을 만든 후 이를 다시 우라늄 농축을 위해서 농축에 적합한 형태인 UF6(육불화우라늄)로 만드는 공정이다.

농축은 핵연료로 직접 쓸 수 없는 U238이 대부분(99.28%)인 천연우라늄을 핵연료로 사용하기 위하여 U235의 비율(0.71%)을 높이는 작업을 의미하며, 이렇게 U235의 비율이 높아진 우라늄을 농축우라늄(Enriched U)라 한다. U235의 비율을 높이면 동시에 다른 부분에서는 U235의 비율이 줄어들게 되는데 이렇게 U235의 비율이 0.71% 이하로 줄어든 찌꺼기 우라늄을 감손 우라늄(Depleted U)또는 열화우라늄이라고 한다.

농축의 원리는 U235와 U238의 질량의 차이를 이용하여 두 원소를 분리하는 것으로 기체확산법, 가스원심분리법, 전자장법, 레이저법 등이 있다.

현재 공식적으로 농축시설이 가동되고 있는 국가는 미국, 프랑스(EURODIF), 중국, 독일(URENCO), 네덜란드(URENCO), 영국(URENCO), 일본, 파키스탄, 러시아 등으로 알려져 있다.

EURODIF 시설은 프랑스에 있으나 프랑스, 이태리, 스페인, 벨기에 및 이란의 합작회사며, URENCO는 영국, 네덜란드 및 독일의 합작회사임.
*이 외에도 연구시설이 있거나 연구경험이 있는 국가로는 아르헨티나, 브라질, 이라크, 인도, 남아공, 이스라엘 등이 추가될 수 있으며, 여기에서 남아공과 아르헨티나는 각각 300 및 200KSWU/y 규모의 시설이 있었으나 현재는 폐쇄되었거나 철거되었다.

핵연료가공은 이산화우라늄(UO2) 분말을 압착 및 소결하여 pellet 형태로 만든 후 이를 피복관에 넣어 연료봉을 제조하고 연료봉을 조립하여 원자로에 장전할 수 있는 연료집합체를 제조하는 공정을 말한다.

핵연료주기 구축이란 우라늄 정련, 변환 및 농축을 포함한 핵연료물질의 생산, 핵연료 가공, 원자로에서의 연소, 원자로에서 타고 난 사용후핵연료의 재처리, 고준위폐기물의 처분 등 핵연료주기의 모든 단계를 자체능력으로 확보 및 운용하는 것으로 자립적인 원자력발전 기술의 보유를 의미한다.

*북한은 '농축' 과정을 제외한 전 핵연료주기를 완성하였고, 한국은 '농축' 및 '재처리' 과정이 없는 상태이다.