Die Wiederaufbereitung ist die Trennung von Uran und Plutonium und anderen Spaltprodukten aus altem Kernbrennstoff . Auch nach den technisch sehr aufwändigen Schritten der chemischen und physikalischen Trennstufen bleiben Spuren von Spaltprodukten im extrahierten Brennstoffrest erhalten. Dieser zurück gewonnene Brennstoff wird erneut für die Produktion von Brennelementen für Kernreaktoren verwendet. Das Plutonium wird MOX -Elementen beigesetzt, für die Waffenproduktion separiert oder gelagert. Aufgrund der komplexen und langwierigen Aufarbeitungsschritte sind die notwendigen großtechnischen Anlagen teuer und nur zentral zu errichten. Das bedeutet wiederum ein umfangreiches Inventar an Radioaktivität . Die nicht gebaute Wiederaufbereitungsanlage (WAA) Wackersdorf in Bayern hätte in Lagern und Fertigungsstraßen den Brennstoff von bis zu 300 herkömmlichen Druckwasserreaktoren enthalten. Die meisten Schritte bei der Wiederaufbereitung finden daher auch abgeschirmt hinter meterdickem Bleiglas statt. Sie werden durch Roboter und mit Manipulatoren ausgeführt. Weite Teile der Anlagen können von Menschen niemals betreten werden und sind hermetisch abgeschottet. Einkommende Brennelemente werden zunächst in Brennstäbe aufgetrennt. Diese werden mechanisch zerkleinert und zersägt, um an die Brennstoffpellets zu gelangen. Die Pellets werden in siedender, konzentrierter Salpetersäure aufgelöst. Nach mehreren Extraktionsschritten liegen Uran, Plutonium und eine Reihe von unerwünschten Spaltprodukten wie Cäsium, Strontium, Kobalt und radioaktive Edelgase aus den Brennstäben mehr oder weniger getrennt vor. Auch im Normalbetrieb setzt eine Wiederaufbereitungsanlage ständig geringe Mengen radioaktives Material in die Umwelt frei (wie zum Beispiel gefilterte Abluft, gefiltertes Abwasser). Bei der Wiederaufbereitung fallen erhebliche Mengen von unbrauchbaren und nicht weiter verwendbaren radioaktiven und chemisch aggressiven Spaltprodukten, zumeist in vermengter Form, an. Der militärische Aspekt einer Wiederaufbereitung wird ebenso als deren Gegenargument verwendet, wie die schlechtere Brennstoffqualität und die ökologisch äußerst problematischen Verfahren.
Bis heute sind Wiederaufbereitungsanlagen durchlässige Punkte von ziviler zu militärischer Nutzung der Kernenergie. Wiederaufbereitungsanlagen stehen unter anderem in Großbritannien (Sellafield, Dounreay) und Frankreich (La Hague). Bemerkenswerterweise befinden diese sich am Meer mit starken ablandigen Strömungsverhältnissen.