Początkowy etap cyklu polega na wydobywaniu rudy uranowej, która występuje w złożach naturalnych na całym świecie. Główni globalni producenci koncentrują się w Kazachstanie, Kanadzie i Australii, podczas gdy w Polsce prowadzone są prace poszukiwawcze nowych złóż. Wydobycie odbywa się różnorodnymi metodami, w tym metodami podziemnymi, odkrywkowymi oraz nowoczesnym ługowaniem in situ, które minimalizuje wpływ na środowisko naturalne.

Po wydobyciu rudę uranową poddaje się skomplikowanemu procesowi przeróbki, rozpoczynającemu się od mechanicznego kruszenia i mielenia, a następnie chemicznego ługowania przy użyciu specjalistycznych roztworów. Te zaawansowane procesy pozwalają na oddzielenie i koncentrację związków uranu od skały płonnej, culminating w uzyskaniu półproduktu zwanego yellowcake (U₃O₈) o wysokiej czystości chemicznej.

Kolejnym kluczowym etapem jest wzbogacanie uranu, które ma na celu zwiększenie zawartości rozszczepialnego izotopu U-235 z naturalnego poziomu 0,7% do wymaganych przez współczesne reaktory 3-5%. Proces ten wymaga najpierw konwersji yellowcake do lotnego sześciofluorku uranu (UF₆), a następnie wykorzystania zaawansowanych technologii separacji izotopów, takich jak wirówki gazowe lub metody dyfuzyjne, pracujących w skomplikowanych systemach kaskadowych.

Produkcja właściwego paliwa jądrowego obejmuje przekształcenie wzbogaconego UF₆ w dwutlenek uranu (UO₂), który formuje się w precyzyjne ceramiczne pastylki. Te niewielkie elementy, każdy zdolny do wygenerowania energii równoważnej spaleniu tony węgla, umieszcza się następnie w specjalnych rurach ze stopów cyrkonowych, tworząc pojedyncze pręty paliwowe, które łączy się w kompleksowe zestawy gotowe do wykorzystania w reaktorze jądrowym.

Eksploatacja paliwa w reaktorze trwa typically od trzech do pięciu lat, podczas których zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jąder atomowych. W tym okresie tylko niewielka część materiału rozszczepialnego ulega rzeczywistemu wykorzystaniu, co oznacza, że wypalone paliwo wciąż zawiera znaczną ilość potencjalnie wartościowych materiałów, poddawanych dalszemu zagospodarowaniu.

Ostatnia faza cyklu paliwowego obejmuje składowanie i potencjalny recykling wypalonego paliwa. Początkowo jest ono przechowywane w specjalnych basenach chłodzących, gdzie przez kilka lat następuje stopniowe zmniejszanie się jego radioaktywności i generowanego ciepła. Następnie paliwo może być poddane reprocessingowi, podczas którego odzyskuje się wartościowe materiały rozszczepialne, lub przygotowywane do ostatecznego składowania w głębokich formacjach geologicznych, zaprojektowanych jako bezpieczne repozytoria na tysiące lat.