铀
铀存在于地壳中，带有轻微的放射性。其在地球中的储量是金的500多倍，大约与锡的储量相当。大部分的岩石、土壤，河流以及海水中都含有铀元素。地壳中60%的岩石属于石灰石，而铀在石灰石中的含量大约是百万分之四。在铀富集度高的地方，铀的含量可达0.04%。一些煤矿床中铀的含量可以超过0.01%。事实上，铀在自然条件下会形成一条衰变链，产生一系列元素。天然铀的放射性主要来自于这些衰变过程中产生的矿物质，在采矿和制粉过程中这些矿物质会被筛除。
有一些地区，地壳中的铀含量足够高，有开采的价值。这样的富集称为矿石。
铀矿的开采
铀矿石的开采方法有地下开采法、露天开采和地浸开采法三种。一般情况下，当矿体埋藏较浅时用露天开采法；当矿体埋藏较深时，用地下开采法。用地下开采法时，矿体的深度一般深于120m。
露天开采要求玻璃表土，打开一个大的开采口。为了防止滑坡，开采口的墙体要求有一定的倾斜度，因此开采口一般比矿体本身大。相较于露天开采，地下开采对土表的影响比较小，需要移除的土方也比较少。需要注意的是，在地下开采中，要求加强通风系统，以防止人暴露在空气辐照中。
如今，地浸开采法占的比例越来越大。在开采过程中，用氧气处理的浸出剂流过疏松多孔的矿床，将铀的氧化物溶解到浸出剂中，然后将其带到地面。浸出剂可能会呈弱酸或者弱碱性，以保证铀元素溶解在溶液中。接着，从浸出剂中的收集铀的氧化物，这与传统的方法相同。
在开采过程中到底采用何种开采方法，取决于矿床的自然条件，安全因素以及经济方面的考虑。
在以下的链接中，可以获得更详细的相关信息：
- 铀的供应
- 世界范围内，铀矿的开采
- 铀矿的地浸开采法
铀的水冶
铀的水冶过程就是从铀矿石（或浸出剂）中提出铀，这个过程一般在铀矿附近进行。大部分的矿井配有研磨机，有些地方各个铀矿井距离较近，一台研磨机可能需要处理来自多个矿井的铀矿石。通过水冶可以得到铀氧化物的浓缩物。这些浓缩物俗称“黄饼”，其中铀含量达到了80%。而天然铀矿石的铀含量为0.1%，甚至更低。
在水冶过程中，对铀矿石进行了粉碎，研磨成细浆，并用硫酸（有时用强碱溶液，这依据具体矿石的种类来选取）处理以从中分离出铀的化合物。紧接着通过一系列的化学过程，从中沉淀出铀氧化物的浓缩物（U3O8）。这些浓缩物俗称“黄饼”，但是它一般呈黄褐色的，在干燥后装入200L的鼓式容器。
铀市场上交易的产品就是U3O8，一个1000MWe的反应堆一年发电所需的U3O8大约是200吨。
铀转化和铀浓缩
铀水冶过程中得到的产物并不能直接用作核反应堆的燃料，而是需要进一步的处理。天然铀中主要是U-235和U-238，其中U-235是“易裂变核素”，所谓的“易裂变核素”就是在任意能量中子的轰击下都能发生裂变，释放出能量，而且能发生链式反应的核素，它可以直接用作反应堆的核燃料；U-238是“可转换核素”，它需在中子的照射下转换出“易裂变核素”才能用作核燃料。在天然铀中“可燃”的U-235仅占0.7%左右，而剩余的主要是“不可燃”的U-238。而大部分反应堆所用的铀燃料中，U-235的含量为3.5%-5%，因此需要进行同位素分离处理，以获得所需产品。所谓的同位素分离，就是增加一种同位素相对于另一种同位素的含量的过程。同位素分离过程中，要求含铀工质处于气态。因此在进行铀同位素分离之前，要将其转化成低温条件下气态的六氟化铀。
在转化装置中，先将铀的氧化物还原成二氧化铀，然后再转换成六氟化铀，以备浓缩之用。在一些以天然铀为燃料的反应堆中，二氧化铀就是所用的燃料。此环节的主要危险在于，此过程中所使用的氟化氢。这些得到的六氟化铀凝固后装入14t的金属柱形容器。
同位素分离的过程就是将气态的六氟化铀分成两股流。一股是精料流，它将被浓缩到所需的丰度，称为“低浓铀”；另一股流为贫料流，其中U-235的含量逐渐减少。在商用分离工厂中一般采用的是气体离心法，就是将成千上万台离心机连接起来，组成分离级联。当离心机高速旋转的时候，这些分子间的差别——两种铀元素间1%的质量差别，就会将两种元素分离开。激光分离方法是目前正在研究的一种更具发展前景的新方法。
分离得到的是经过浓缩的六氟化铀，再转化回浓缩的铀的氧化物。此时，铀燃料才可以称为可相互替代（虽然他们的丰度可能不一样），但是燃料的制造工艺与设计却有很大差别。
一少部分的反应堆以天然铀为燃料，无需进行铀的同位素分离过程，例如加拿大和印度的重水堆。
燃料制造
反应堆最普遍使用的是陶瓷燃料芯块。浓缩后的六氟化铀转化成铀的氧化物（UO2）后，经过高温（超过1400℃）烧结，压制成二氧化铀芯块。接着将这些芯块装入金属管以制成燃料棒，这些燃料棒组成燃料组件，放入反应堆中燃烧。燃料芯块的尺寸和燃料组件各部件的理化特性，都需要精确控制以保证它们与燃料的相容。
在燃料制造工厂，生产线的形状和大小都需要严格控制，以防达到临界状态。对于低浓铀燃料，达到临界几乎是一件不可能的事情，但是对于使用特殊燃料的研究堆，临界却是一个重要的问题。
对于一个1000MWe的核反应堆，每年需要27吨的新燃料。
发电和燃耗
核反应堆的堆芯中装入了几百个燃料组件。对于一个1000MWe的反应堆，其堆芯需要装载75吨的低浓铀。在堆芯中，U-235会发生链式裂变反应，并持续地释放出能量。链式反应过程需要慢化剂的参与，水或者石墨都可以充当慢化剂的角色，如今已经实现了裂变链式反应可控的目标。
堆芯中一部分的不可燃的U-238转化成钚，大约50%的钚可以发生裂变反应释放能量，反应堆释放出的能量中三分之一来自钚。
与火电厂一样，燃料裂变反应产生的热能会加热水产生水蒸气，以推动汽轮机和发电机。这样，每年就可以提供超过70亿千瓦时的电力。
为了维持反应堆的发电效率，每12或者18个月，就会有三分之一的乏燃料从堆芯中移除，并代之以新燃料。
一般情况下，1吨的天然铀可以产生4.4千万千瓦时的电力。而对于化石燃料，产生等量的电力需要燃烧20,000吨的煤或者8.5百万立方米的天然气。
另一个与反应堆运行相关的重要问题是燃料的燃耗问题。燃料的燃耗是以十亿瓦日/吨（GWd/t）来计算的，燃料燃耗深度的限值与燃料丰度成正比。对于一个燃料组件韧度一般的反应堆，达到40GWd/t燃耗深度所需的燃料丰度为4%。如果，燃料组件及其他设备的性能更好时，是有可能达到55GWd/t的燃耗深度的，不过这要求5%的燃料丰度；未来在燃料丰度为6%的条件下是有望达到70GWd/t的燃耗深度的。提高燃料燃耗深度的好处是可以延长换料周期——达到约24个月，同时乏燃料组件数量可以减少三分之一。相应的燃料循环成本减少20%。
与火力发电相同，大约三分之二的热量无法得到利用。这些热量或者排入大型水体（海洋或者大河，使得其水体温度升高几度），或者排入冷却塔中的小型水体，用蒸发冷却（蒸发潜热）。