परमाणु रिएक्टर के अन्दर एक परमाणु ईंधन छड़ के 5 प्रतिशत अभिक्रिया कर लेने के बाद, वह छड़ ईंधन के रूप में प्रयोग किए जाने के लायक नहीं रहती (विखंडन उत्पादों की बढ़ने के कारण). आज, वैज्ञानिक इस बात का पता लगा रहे हैं कि कैसे इन छड़ों को दुबारा प्रयोग करने लायक बनाया जाए ताकि कचरे को कम किया जा सके और बचे हुए एक्टिनाइड्स को ईंधन के रूप में इस्तेमाल किया जा सके (कई देशों में बड़े पैमाने के पुनर्संसाधन का इस्तेमाल किया जा रहा है).

एक ठेठ 1000-मेगावाट परमाणु रिएक्टर, प्रति वर्ष करीब 20 क्यूबिक मीटर (करीब 27 टन) खर्चित परमाणु ईंधन को उत्पन्न करता है (अगर पुनर्संसाधित किया जाए तो 3 क्यूबिक मीटर शीशाकृत मात्रा). अमेरिका में सभी वाणिज्यिक परमाणु ऊर्जा संयंत्र द्वारा आज की तारीख तक उत्पन्न खर्चित ईंधन, एक फुटबॉल मैदान को एक मीटर तक भर सकता है।

खर्चित परमाणु ईंधन शुरू में बहुत उच्च रेडियोधर्मी होता और इसलिए इसे अत्यंत सावधानी और पूर्वविचारित तरीके से संभालना चाहिए। हालांकि, हजारों वर्षों की अवधि के दौरान यह काफी कम रेडियोधर्मी हो जाता है। 40 वर्षों के बाद, विकिरण प्रवाह 99.9% है, जो संचालन से खर्चित ईंधन को हटाए जाने के क्षण की तुलना में कम है, हालांकि खर्चित ईंधन अभी भी खतरनाक रूप से रेडियोधर्मी है। रेडियोधर्मी क्षय के 10,000 वर्षों के बाद, अमेरिकी पर्यावरण संरक्षण एजेंसी के मानकों के अनुसार, खर्चित परमाणु ईंधन से सार्वजनिक स्वास्थ्य और सुरक्षा को कोई खतरा नहीं होगा। 

जब पहली बार निकाला जाता है तो खर्चित ईंधन छड़ों को पानी के परिरक्षित बेसिनों में संग्रहीत किया जाता है (खर्चित ईंधन पूल), जो आमतौर पर साइट पर होते हैं। यह पानी दोनों प्रदान करता है, अब भी नष्ट होते विखंडन उत्पादों के लिए शीतलन और जारी रहने वाली रेडियोधर्मिता से परिरक्षण. एक अवधि के बाद (अमेरिकी संयंत्रों के लिए आमतौर पर पांच साल), अब शीतलक, कम रेडियोधर्मी ईंधन को आम तौर पर एक शुष्क भंडारण सुविधा या शुष्क पीपा भंडारण में भेजा जाता है, जहां ईंधन को स्टील और कंक्रीट के कंटेनरों में रखा जाता है। वर्तमान में ज्यादातर अमेरिकी परमाणु कचरे को साइट पर ही जमा किया जाता है जहां यह उत्पन्न होता है, जबकि उपयुक्त स्थायी निपटान के तरीकों पर चर्चा हो रही है।

यथा 2007, संयुक्त राज्य अमेरिका, परमाणु रिएक्टरों से निकले 50,000 मीट्रिक टन से अधिक खर्चित परमाणु ईंधन को जमा कर चुका है। अमेरिकी में स्थायी भूमिगत भंडारण को युक्का पर्वत परमाणु अपशिष्ट भण्डार में प्रस्तावित किया गया था, लेकिन उस परियोजना को अब प्रभावी ढंग से रद्द कर दिया गया है - अमेरिका के उच्च-स्तरीय अपशिष्ट का स्थायी निपटान अभी तक अनसुलझी राजनैतिक समस्या बना हुआ है।

उच्च-स्तरीय कचरे की मात्रा को विभिन्न तरीकों से कम किया जा सकता है, विशेष रूप से परमाणु पुनर्संसाधन द्वारा. फिर भी, एक्टिनाइड्स को हटा देने के बावजूद बचा हुआ अपशिष्ट, कम से कम 300 वर्षों तक के लिए काफी रेडियोधर्मी होगा और यदि एक्टिनाइड्स को अंदर ही छोड़ दिया जाता है तो हज़ारों साल तक के लिए। सारे एक्टिनाइड्स को हटा देने के बाद भी और फास्ट ब्रीडर रिएक्टरों का उपयोग करते हुए रूपांतरण द्वारा दीर्घ-जीवित गैर-एक्टिनाइड्स को नष्ट कर देने के बावजूद, कचरे को एक सौ वर्षों से कुछ सौ वर्षों तक वातावरण से अलग रखना आवश्यक है और इसलिए इसे उचित रूप से एक दीर्घकालिक समस्या के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। उप-जोखिम रिएक्टर या संलयन रिएक्टर भी कचरे को जमा किए जाने की अवधि को कम कर सकते हैं। यह तर्क दिया गया है कि परमाणु कचरे के लिए सबसे अच्छा उपाय है भूमि के ऊपर अस्थायी भंडारण, क्योंकि तकनीक तेज़ी से बदल रही है। कुछ लोगों का मानना है कि मौजूदा अपशिष्ट भविष्य में एक मूल्यवान संसाधन हो सकता है।

"60 मिनट" में प्रसारित 2007 की एक कहानी के अनुसार, किसी भी अन्य औद्योगिक देश की तुलना में, परमाणु ऊर्जा, फ्रांस को सबसे स्वच्छ हवा देती है और सम्पूर्ण यूरोप में सबसे सस्ती बिजली. फ्रांस अपने परमाणु कचरे को, उसका द्रव्यमान कम करने के लिए और अधिक ऊर्जा उत्पन्न करने के लिए पुनः संवर्धित करता है। हालांकि लेख जारी रहता है, "आज हम कचरे के कंटेनरों को जमा रखते हैं क्योंकि वर्तमान में वैज्ञानिकों को यह नहीं पता है कि विषाक्तता को कैसे कम या समाप्त किया जाए, लेकिन शायद 100 वर्षों बाद वैज्ञानिकों को पता होगा ... परमाणु कचरा, एक अत्यधिक कठिन राजनीतिक समस्या है जिसे आज तक कोई भी देश सुलझा नहीं पाया है। एक अर्थ में, यह परमाणु उद्योग की कमज़ोर कड़ी है।.. मंदिल का कहना है कि, "अगर फ्रांस यह मुद्दा हल करने में असमर्थ है, तो मुझे नहीं समझ में आता कि हम अपना परमाणु कार्यक्रम कैसे जारी रख सकते हैं". इसके अलावा, खुद पुनर्संसाधन के भी आलोचक हैं, जैसे चिंतित वैज्ञानिकों का संघ.

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