เป็นกระบวนการนำยูเรเนียม-235 มาแปลงสภาพให้อยู่ในรูปของเชื้อเพลิง ขั้นตอนโดยสังเขป ได้แก่ การทำเหมือง การสกัด การแปลงสภาพ การทำให้เข้มข้น (Enrichment) การสร้างและประกอบมัดเชื้อเพลิง (Assembly) รวมไปถึงการจัดการเชื้อเพลิงใช้แล้ว

วัฎจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แบ่งเป็น 2 ส่วนหลัก ๆ คือ ส่วน Front End ที่ซึ่งเป็นกระบวนการการเตรียมเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ไปจนกระทั่งกระบวนการใช้งานเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้า และส่วน Back End ที่จำเป็นจะต้องมีการเก็บรักษาเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วอย่างปลอดภัย รวมถึงกระบวนการนำกลับมาใช้ใหม่ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วด้วย

        เป็นสองกระบวนการแรกของวัฎจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ยูเรเนียมเป็นโลหะที่มีอยู่มากมายใต้ผิวโลก เราสามารถพบแร่ยูเรเนียมได้ทั้งในหินและดิน หรือแม้กระทั่งในแม่น้ำหรือน้ำทะเล การทำเหมืองยูเรเนียมมีหลายวิธี ทั้งการทำเหมืองแบบเปิด เมื่อแหล่งแร่อยู่ใกล้ผิวดิน (Open Pit Mining) การทำเหมืองแบบใต้ดิน ในกรณีที่แหล่งแร่อยู่ลึกจากผิวดินมากกว่า 120 เมตร (Underground Mining) หรือการทำเหมืองละลายแร่ (In situ leaching Mining) ซึ่งการทำเหมืองแบบละลายแร่จะได้ยูเรเนียมในรูปของสารละลาย ทำให้ไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการบดแร่เหมือนการทำเหมืองแบบเปิดและการทำเหมืองแบบใต้ดิน 
        ยูเรเนียมที่ได้จากเหมืองแบบเปิดและแบบใต้ดินจะถูกนำมาบดให้ละเอียดแล้วนำไปชะละลาย (leaching) ด้วยกรดหรือด่างเข้มข้น เพื่อแยกยูเรเนียมออกจากสารเจือปนอื่น ๆ นอกจากนี้ยังผ่านการสกัดด้วยตัวทำละลายหรือกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน และทำให้ตกตะกอนในรูปของยูเรเนียมออกไซด์ (U₃O₈) ซึ่งเป็นยูเรเนียมเข้มข้นที่เรียกว่า เค้กเหลือง (yellowcake) ก่อนจะถูกส่งต่อไปผ่านกระบวนการเพื่อเปลี่ยนรูปและเสริมสมรรถนะยูเรเนียมต่อไป

        หลังจากที่ได้ยูเรเนียมเข้มข้น (yellowcake: U₃O₈) จากการทำเหมืองแร่แล้ว ยูเรเนียมจะถูกเปลี่ยนให้อยู่ในรูปของยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (UF6) ซึ่งมีสถานะก๊าซที่อุณหภูมิต่ำ เรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนเปลี่ยนรูปยูเรเนียม ก่อนเข้าสู่ขั้นตอนของการเสริมสมรรถนะ เนื่องจากในธรรมชาติมีธาตุยูเรเนียม-235 (U-235) เพียง 0.7% ส่วนที่เหลือเป็นไอโซโทปของธาตุยูเรเนียม-238 (U-238)  ซึ่งยูเรเนียมที่ใช้เป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์เพื่อเกิดปฏิกิริยาฟิชชั่นในเครื่องปฏิกรณ์ ต้องใช้ยูเรเนียม-235 ที่มีความเข้มข้น 3.5- 5% จึงต้องนำ U-235 มาผ่านกระบวนการเพิ่มความเข้มข้นที่เรียกว่า กระบวนการเสริมสมรรถนะ (Enrichment)
        กระบวนการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม ที่นิยมใช้โดยทั่วไปมี 2 ประเภท คือ กระบวนการแพร่ก๊าซ และ วิธีการหมุนเหวี่ยงก๊าซ ซึ่งกระบวนการทั้งสองจะใช้ยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (UF₆) ในรูปก๊าซเป็นวัตถุดิบ และจะทำงานโดยอาศัยความแตกต่างของมวลระหว่าง U-235  และ U-238 ที่แตกต่างกันเพียง 1% ในการแยกไอโซโทปของธาตุทั้งสองออกจากกัน โดยหลังจากกระบวนการนี้จะได้ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะที่มีความเข้มข้นของ U-235 ประมาณ 3.5-5% ในรูปของยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (UF₆)
        

เป็นการนำยูเรเนียมที่เสริมสมรรถนะแล้วมาประกอบเป็นแท่งเชื้อเพลิง เริ่มต้นจากการเปลี่ยนยูเรเนียมเฮกซะฟลูออไรด์ (UF₆) ให้อยู่ในรูปของผงยูเรเนียมไดออกไซด์ (Uranium dioxide: UO2) แล้วนำไปอัดเป็น เม็ดเชื้อเพลิง (Fuel pellet) โดยเม็ดเชื้อเพลิงที่ได้จะมีลักษณะเป็นทรงกระบอก มีเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 1 เซนติเมตร สูงประมาณ 2 เซนติเมตร เม็ดเชื้อเพลิงที่ขึ้นรูปแล้วจะถูกนำไปเผาที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,400 องศาเซลเซียส เพื่อให้มีความหนาแน่นสูงและไม่แตกง่าย จากนั้นจะผ่านกระบวนการแต่งผิวให้เรียบ ก่อนจะนำเม็ดเชื้อเพลิงไปบรรจุใน แท่งเชื้อเพลิง (Fuel rods) ซึ่งเป็นท่อยาว ทำจากวัสดุที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อน แรงอัด และอุณหภูมิสูง หลังจากนั้นแท่งเชื้อเพลิงจะถูกนำมาประกอบรวมกัน เรียกว่า มัดเชื้อเพลิง (Fuel bundle หรือ Fuel assembly) ซึ่งจะถูกนำไปใช้งานในเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ต่อไป