在核燃料被运抵反应堆后，新燃料放在最外层。反应堆被封闭后一般能连续运行一至两年。然后反应堆被重新打开，移除最内层的(也是最旧的)核燃料，并将其余燃料依次向内层移动，最后填充新燃料。一组燃料在反应堆内会经历3次这种循环，总共3至6年的时间。

这些被移出的燃料组含有高放射性的裂变产物(如锶90和铯137)，并将产生数十千瓦热辐射。如果仅靠空气冷却，核燃料外包围的金属壁会融化甚至燃烧，因此移出的核燃料往往都被保存在由钢筋混凝土建造的乏燃料贮存池中，并由非常纯净的冷却水负责降温。

这些元素的半衰期(一半的物质因衰变转化为其他元素所需时间)只有几年。一段时间后，这些燃料组就不需要再储存于水中，而被转移到钢制套桶中，在那里干燥，充入惰性气体，然后被封闭。这些套筒最后被装入巨大的混凝土储存桶中，靠自然的空气循环带走燃料释放的微小热量。

不过，乏燃料中的锕系元素(actinides)很让各方头疼。当铀原子吸收一个中子但没有发生裂变时，就产生了锕系元素。这些物质的半衰期可达数十万年。1987年，美国会选中尤卡山作为永久储存核废料的地点之一，并且预计将从2017年开始接收首批核废料。

在乏燃料中，约有95.6%的燃料(按体积计算)未参与反应。剩余部分中，有3.4%是裂变反应产物，1%是钚这类半衰期较长的锕系元素。美国未来计划更加高效地回收核废料中的铀和钚，并且将其制成新的核燃料，剩下的短寿命裂变产物则被封存在废料库中。

根据国际原子能机构的数据，一座装机容量1，000兆瓦的反应堆，每年只产生大约33吨核废料。在储存桶中存放的时间越长，核废料衰变的比例就会越大。一旦因核废料热辐射过高而造成附近的地下水沸腾，产生的蒸汽就会使岩石碎裂，导致核废料扩散。(高轶军）