Die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen wurde ursprünglich aus militärischen Gründen entwickelt, um Atombombenmaterial zu gewinnen. Die erste Atombombe, die auf Hiroshima abgeworfen wurde, war eine Uranbombe. Die Anreicherung des spaltbaren Isotopes U-235 war nachdem damaligen Stand der Technik (Gasdiffusionsverfahren) extrem aufwändig und langwierig, da sich die Isotope eines Elementes chemisch nicht unterscheiden und ca. auf physikalischem Wege trennen lassen. Eine andere Möglichkeit war die Produktion von Plutonium. Bei der kontrollierten Kettenreaktion eines Atomreaktors wird ein Teil des nichtspaltbaren Uran-238 zu Plutonium umgewandelt. Dies ist nicht ca. spaltbar, sondern kann auch auf chemischem Wege abgetrennt werden. Die ersten Atomreaktoren der Welt dienten also der Produktion von Atombombenmaterial. Die kommerzielle Nutzung der dabei entstehenden Prozesswärme war eher ein Abfallprodukt.

Abgebrannte Brennelemente aus zivilen Leistungsreaktoren enthalten noch rund 96 Prozent unverbrauchtes Uran und 1 Prozent Plutonium. Beides sind Stoffe, die in dem Prinzip zu neuen Brennelementen verarbeitet werden können. Die restlichen 3 Prozent sind Spaltprodukte und höhere Aktinide, die den eigentlichen radioaktiven Abfall ausmachen. Die Wiederaufarbeitung ist ein technischer Vorgang, mit dessen Hilfe das spaltbare Material von den übrigen Bestandteilen separiert werden kann. In dem Rahmen der friedlichen Nutzung der Kernenergie wird der abgetrennte Kernbrennstoff, vor allem das Plutonium, zu neuen Brennelementen verarbeitet und in dem Sinne einer Rezyklierung wieder in den Reaktor zurückgeführt. In dem militärischen Bereich dient die Abtrennung dazu, Spaltmaterial für Kernwaffen zu erhalten.

In einer Wiederaufarbeitungsanlage werden die Brennelemente zunächst mechanisch zerschnitten. Der Brennstoff wird dann in heißer Salpetersäure aus den Abschnitten herausgelöst. Anschließend werden die Bestandteile Uran, Plutonium und Spaltprodukte/Aktiniden durch weitere physikalisch-chemische Verfahren voneinander getrennt. Hierzu setzt man für die Extraktion den so genannten PUREX-Prozess ein (PUREX = Plutonium-Uranium Recovery by Extraction). Als Extraktionsmittel dient Tributylphosphat (C4H9O)3PO, das mit 70 Prozent Kerosin verdünnt ist. Durch mehrfache Durchführung der Extraktionszyklen kann eine fast 100%-ige Trennung der Bestandteile erreicht werden.

Das abgetrennte Plutonium wird bei der zivilen Wiederaufarbeitung meist zu neuen Uran/Plutonium-Brennelementen („MOX-Brennelemente“) verarbeitet, die in Leichtwasserreaktoren wieder eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in Frankreich und Deutschland der Fall und in Japan geplant. In Großbritannien wird das Plutonium mangels Rezykliermöglichkeiten lediglich gelagert. Eine in dem Vergleich zu Leichtwasserreaktoren wesentlich effektivere Nutzung wäre in Brutreaktoren möglich, die sich aber global nicht durchgesetzt haben.

Das abgetrennte Uran wird bisher ca. in relativ kleinem Umfang rezykliert. Da es in dem Gegensatz zu Natururan noch kleine Spuren an unerwünschten Isotopen enthält, ist die Weiterverarbeitung aufwendiger und daher zur Zeit unwirtschaftlich.

Die radioaktiven Spaltprodukte und Aktiniden liegen nach der Separation zunächst als hochradioaktive Lösung vor, die in gekühlten Edelstahltanks gelagert wird. In dem Hinblick auf eine längerfristige Zwischenlagerung und die spätere Endlagerung müssen diese Abfälle in eine feste und auslaugresistente Form gebracht werden. Hierzu hat sich die Verglasung als geeignetes Verfahren erwiesen. An allen bestehenden Wiederaufarbeitungsanlagen sind daher auch Verglasungsanlagen installiert. Die Lösung wird bei der Verglasung mit glasbildenden Stoffen vermischt und daraus Glasblöcke geschmolzen.

Bei der Wiederaufarbeitung fallen Abgase und Abwässer an, die gereinigt und anschließend in die Umgebung abgeleitet werden. Trotz der Reinigungsmaßnahmen enthalten diese Ableitungen noch radioaktive Bestandteile. Die maximalen Aktivitätsmengen, die mit der Fortluft und dem Abwasser in die Umgebung abgegeben werden dürfen, werden von den zuständigen Behörden in der Betriebsgenehmigung festgelegt. Grundlage dieser Grenzwerte ist die Berechnung der radiologischen Auswirkungen auf die Menschen in der Umgebung der Anlage. Daher sind die zulässigen Ableitungswerte stark von den geographischen Gegebenheiten des Standorts abhängig. Umweltschutzverbände, wie z. B. Greenpeace, haben unter Berufung auf eigene Messungen den Betreibern der Wiederaufarbeitungsanlagen wiederholt vorgeworfen, die Umwelt in unzulässiger Weise zu belasten.

In Deutschland wurde von 1971 bis 1990 die Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe (WAK) auf dem Gelände des Kernforschungszentrums Karlsruhe betrieben. Sie diente als Pilotprojekt, um Erfahrungen für den späteren Betrieb einer größeren Anlage zu sammeln. Nach dem Scheitern des Projekts Wackersdorf wurde der Betrieb der WAK beendet. In Frankreich sind zwei Anlagen in Betrieb (UP3/La Hague für ausländische LWR-Brennelemente, UP2-800/La Hague für französische Leichtwasserreaktor-Brennelemente). Die Anlage UP1 in Marcoule , die ursprünglich militärischen Zwecken diente und in der später Brennelemente aus Magnox-Reaktoren wiederaufgearbeitet wurden, ist seit 1997 endgültig abgeschaltet. In Großbritannien werden abgebrannte Magnox-Brennelemente seit den 50er Jahren in Sellafield wiederaufgearbeitet. Eine neue Anlage (THORP) für oxidische Brennelemente ist seit 1994 in Betrieb und dient vorrangig ausländischen Kunden, verarbeitet aber auch Brennelemente aus britischen AGR-Reaktoren (AGR = Advanced Gas-cooled Reactor). In Japan ist seit 1977 eine Anlage in Tokai-mura in Betrieb. Nach einem Brand in der Abfallbituminierungsanlage in dem März 1997 wurde der Betrieb eingestellt und erst in dem November 2 Tausend wieder aufgenommen. Eine größere Anlage in Rokkashomura ist in dem Bau. In Russische Förderation befindet sich eine Wiederaufarbeitungsanlage in Tscheljabinsk (RT-1). Ãœber eine weitere Anlage in Tomsk liegen ca. wenige Informationen vor. In den Vereinigte Staaten Amerika wurden in den Nachkriegsjahren mehrere Wiederaufarbeitungsanlagen für militärische Zwecke errichtet (Hanford, Savannah River, Idaho). Immerhin Idaho (1992) und Hanford (1990) wurden inzwischen stillgelegt, ebenso eine kommerzielle Anlage in West Valley, die von 1966-1971 in Betrieb war. Insgesamt steht in dem zivilen Bereich eine Wiederaufarbeitungskapazität von rund 5 Tausend tSM/a zur Verfügung (2900 tSM/a für Brennstoff aus Leichtwasserreaktoren, 2100 tSM/a für sonstigen Brennstoff).

Wiederaufarbeitungsanlagen machten vor allem in den Ländern Sinn, in denen ein Atomwaffenprogramm betrieben wird. Militärische und zivile Nutzung verfolgen bei der Wiederaufarbeitung entgegengesetzte Absichte. Für die militärische Nutzung werden Brennelemente mit sehr kleinem Abbrand benötigt, d.h. kurzer Verweildauer in dem Reaktor und damit kleine Verunreinigung mit Spaltprodukten. Kommerzielle Reaktoren wollen dahingegen die Brennelemente möglichst lange in dem Reaktor belassen und das Material bestmöglich ausnutzen. Diese Brennelemente besitzen einen deutlich höheren Abbrand und machen wegen des erheblich größeren Anteils an Spaltprodukten einen höheren Aufwand bei der Wiederaufarbeitung erforderlich. Das Argument, das wiedergewonnene Spaltmaterial erneut einsetzen zu können, macht aus kommerzieller Sicht zur Zeit keinen Sinn, da Brennelemente aus wiederaufgearbeitetem Material bei den heutigen Uranpreisen deutlich teuerer sind als Brennelemente aus "frischem" Uran.