Unter dem Begriff Brennstoffkreislauf (auch Brennstoffkette) werden in der Kerntechnik zusammenfassend alle Arbeitsschritte und Prozesse bezeichnet, die der Versorgung und Entsorgung radioaktiver Stoffe dienen, die zur friedlichen Anwendung gehören.

Der Betrieb von Kernkraftwerken erfordert eine Infrastruktur, die insbesondere die Versorgung mit frischem Brennstoff sowie die Entsorgung der radioaktiven Abfälle umfasst.
Zur Versorgung gehören die Suche und der Abbau von Uranerzen, die Gewinnung des Urans aus den Erzen, die Anreicherung von Uran-235 und die Herstellung von Brennelementen.
Die Entsorgung umfasst den Abtransport abgebrannter Brennelemente aus Kernkraftwerken, die Trennung der wiederverwertbaren Spaltstoffe von den radioaktiven Abfällen durch Wiederaufarbeitung, die Herstellung neuer Brennelemente aus den abgetrennten Spaltstoffen, die Verpackung der radioaktiven Abfälle und deren Endlagerung.

Insgesamt gehören folgende Verarbeitungsschritte zum Brennstoffzyklus:

• Erzabbau und Mahlen des Gesteins (siehe Uranabbau)
• Extraktion des radioaktiven Materials, beispielsweise in Form von Uranhexafluorid
• Anreicherung von Uran-235 mittels Gasdiffusion, Ultrazentrifugen oder anderer Verfahren
• Konversion zu Urandioxid, Produktion von Urantabletten und Brennstäben
• Betrieb von Brennelementen
• Zwischenlagerung abgebrannter Brennelemente
• Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente
• Endlagerung

Laut Atomgesetz sind Transporte abgebrannter Brennelemente aus deutschen Kernkraftwerken zu Wiederaufarbeitungsanlagen ab dem 1. Juli 2005 nicht mehr zulässig. Ab diesem Zeitpunkt ist also als Entsorgungsweg für abgebrannte Brennelemente ausschließlich die direkte Endlagerung ohne Wiederaufarbeitung möglich.

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