핵연료 재처리는 사용된 핵연료에서 남아 있는 유용한 물질을 추출하고, 방사성 폐기물을 분리하여 관리하는 과정을 말한다. 이 과정은 주로 원자력 발전소에서 발생하는 사용 후 핵연료를 대상으로 이루어진다. 사용 후 핵연료는 여전히 상당량의 열에너지를 가지고 있고, 재사용 가능한 우라늄 및 플루토늄을 포함하고 있다.

재처리 과정은 일반적으로 다음과 같은 단계들로 이루어진다:

1. 전처리: 사용 후 연료를 작은 조각으로 자르는 과정이다. 이렇게 하면 표면적이 넓어져 화학적 반응 속도가 증가한다.

2. 용해: 잘라진 연료 조각을 강한 산 또는 알칼리 용액에 녹여서 용액 상태로 만든다.

3. 용매 추출: 용해된 연료에서 우라늄, 플루토늄, 기타 중금속들과 방사성 폐기물을 화학적 방법으로 분리해낸다. 일반적으로 PUREX(Process for Uranium Extraction)법이 많이 사용되는데, 이는 질산을 사용해 우라늄과 플루토늄을 분리하는 방법이다.

4. 변환 및 정제: 분리된 우라늄과 플루토늄은 다시 고체 형태로 변환되고 정제된다. 이 과정을 통해 고순도의 물질을 얻을 수 있다.

5. 폐기물 관리: 재처리 과정에서 나오는 고방사성 폐기물은 안전하게 격리 및 저장되어야 하며, 이를 위해 고형화, 유리 마트리씬화 등의 방법이 사용된다.

재처리의 주요 목적은 자원을 효율적으로 사용하는 것 외에도, 방사성 폐기물의 양을 줄이고 열 발생량을 낮추는 것이다. 그러나 재처리 기술은 고도의 기술력과 안전 관리가 필요하며, 경제적 비용이 높고, 일부 물질들은 핵무기 제조에 전용될 가능성이 있어 비확산 문제를 유발할 수 있다.

이에 따라 각국은 자국의 에너지 정책과 국제적인 비확산 조약을 고려하여 재처리 기술의 개발 및 활용 여부를 결정하고 있다. 프랑스, 러시아, 일본 등은 핵연료 재처리 기술을 적극적으로 활용하고 있는 반면, 미국은 주로 사용 후 연료의 직접 처분 방식을 택하고 있다.