핵연료가 화석연료와 크게 다른 점은 화석연료는 연소할 때 이산화탄소 즉 온실가스를 방출하면서 재로 변하는 반면에, 핵연료는 연소할 때 핵연료를 구성하고 있는 성분 핵종의 종류와 조성에는 일정한 변화가 있지만 핵연료의 구조 형태는 그대로 유지 된다는 점이다. 원자로에서 핵연료가 중성자와 만나 핵분열 반응을 일으키면 막대한 에너지를 내는 동시에 두 개의 핵분열 파편이 생성된다. 핵분열 생성물이라고 불리는 이들 파편들은 종류(핵종)가 매우 다양하며 거의 대부분 핵적으로 불안정하기 때문에 안정한 핵종으로 될 때까지 방사선을 방출하면서 붕괴한다.

우라늄 등 핵분열 원료 물질이 핵분열을 일으키지 않고 중성자를 포획하면 일련의 붕괴과정을 거치면서 여러가지 다른 핵종으로 변환된다. 대표적인 핵변환 핵종으로는 플루토늄(Pu)을 들 수 있는데 특히 Pu-239는 U-235와 같이 핵분열성 핵종으로써 핵무기의 원료로 전용될 수 있기 때문에 국제정치적인 함의를 갖는다.

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