เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วเป็นวัสดุกัมมันตรังสีที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เมื่อวัสดุนี้ถูกนำมาใช้เป็นระยะเวลานานมันจะสูญเสียประสิทธิภาพในการเป็นเชื้อเพลิงและจะต้องเปลี่ยนใหม่ น่าเสียดายที่ ณ จุดนี้มันเป็นกากกัมมันตรังสีซึ่งอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตมนุษย์และสัตว์อื่น ๆ เป็นเวลาหลายพันปี วิธีการกำจัดเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้วมักเป็นข้อโต้แย้ง นักวิทยาศาสตร์บางคนได้เสนอการปรับกระบวนการของเสียเป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์เป็นทางเลือกแทนวิธีการกำจัดแบบอื่น
โรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์สร้างไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ควบคุม สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการประมวลผลของวัสดุกัมมันตภาพรังสีสูงเช่นยูเรเนียมและพลูโตเนียม ระยะเวลาที่เชื้อเพลิงนี้ยังคงมีประโยชน์แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับอายุของเครื่องปฏิกรณ์และระดับของเทคโนโลยี ตั้งแต่ปี 2011 โรงงานผลิตพลังงานนิวเคลียร์ที่ทันสมัยส่วนใหญ่สามารถใช้เชื้อเพลิงเป็นเวลาสามถึงหกปีก่อนที่วัสดุจะเสื่อมสภาพจนถึงจุดที่ไม่มีประโยชน์อีกต่อไป หลังจากจุดนี้วัสดุถือว่าเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว
ตามที่กระทรวงพลังงานสหรัฐระบุว่าโรงงานนิวเคลียร์ของสหรัฐสร้างเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วประมาณ 2,000 เมตริกตันต่อปี จากนั้นปัญหาก็จะกลายเป็นวิธีการกำจัดมัน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ส่วนใหญ่วางเชื้อเพลิงไว้ในถังหุ้มฉนวนที่อยู่ใกล้เคียงเรียกว่าบ่อเชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว น้ำที่ผ่านการบำบัดเป็นพิเศษในถังเหล่านี้จะทำให้วัสดุเย็นลงและดูดซับรังสีส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิง วัสดุมักถูกเก็บไว้เป็นเวลา 10 ถึง 20 ปีในสระเหล่านี้
อย่างไรก็ตามหลังจากใช้งานไปหลายทศวรรษถังเหล่านี้จำนวนมากเกือบเต็มไปด้วยเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้ว คณะกรรมการกำกับดูแลกิจการนิวเคลียร์ของสหรัฐประมาณการว่าหลายคนจะไม่สามารถใช้งานได้หลังจากปี 2015 กฎหมายของสหรัฐอเมริกากำหนดให้รัฐบาลต้องค้นหาที่เก็บถาวรสำหรับขยะนิวเคลียร์อันตราย ในขณะเดียวกันเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วจะถูกนำไปวางในถังคอนกรีต แต่วิธีนี้ยังขัดแย้งกับเหตุผลด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัย ประเทศอื่น ๆ ที่มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์กำลังเผชิญกับปัญหาที่คล้ายกัน
ทางออกหนึ่งที่มีการใช้งานแล้วโดยประเทศเช่นฝรั่งเศสและรัสเซียคือการแปรรูปเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้ว เนื่องจากเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วยังคงมีกัมมันตภาพรังสีจึงสามารถนำไปใช้ผลิตพลังงานต่อไปได้อีกหลังจากการแปรรูปซ้ำ กัมมันตภาพรังสีที่น้อยลงเป็นผลมาจากเชื้อเพลิงที่นำกลับมาใช้ใหม่แม้ว่ากระบวนการเองจะมีราคาแพง ปัญหาเหล่านี้ได้รับความเกี่ยวข้องใหม่หลังจากเกิดแผ่นดินไหวที่ญี่ปุ่นและวิกฤตนิวเคลียร์ในปี 2011 ทำให้หลายคนตรวจสอบนโยบายพลังงานนิวเคลียร์อีกครั้ง นอกจากนี้ยังมีความกังวลว่าบางประเทศสามารถใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วเพื่อสร้างอาวุธนิวเคลียร์ พลังงานนิวเคลียร์และกากกัมมันตภาพรังสีมักเป็นประเด็นที่ถกเถียงกันอยู่เสมอและการถกเถียงยังมีแนวโน้มที่จะดำเนินต่อไปในอนาคต
