Brennstoffkreislauf,
kurz für Kernbrennstoffkreislauf, Brennstoffzyklus, Kerntechnik: der gesamte Verfahrensablauf von der Gewinnung der Uranerze über deren Aufbereitung (Brennstoffaufbereitung), die Reinigung und Umwandlung des Urankonzentrats in Urandioxid oder Uranhexafluorid (Ausgangsstoff für die Urananreicherung), die Anreicherung des Gehaltes an 235U, die Herstellung der Brennelemente und deren Einsatz in einem Kernreaktor, die Entsorgung und Wiederaufarbeitung der abgebrannten Brennelemente zur Rückgewinnung der nicht verbrauchten Brenn- und Brutstoffe sowie deren Rückführung in den Brennstoffkreislauf bis hin zur Endlagerung der radioaktiven Abfälle. Eine Alternative zur Wiederaufarbeitung ist die direkte Endlagerung der abgebrannten Brennelemente; die nicht verbrauchten, aber noch verwertbaren Brenn- und Brutstoffe gehen dann allerdings verloren.
Entsprechend den beiden grundsätzlich möglichen Konversionsprozessen (Brüten) unterscheidet man zwischen verschiedenen Brennstoffkreisläufen:
a) Uran-Plutonium-Zyklus: Bei der Verwendung von 238U als Brutstoff, z.B. beim Einsatz von Natururan oder leicht angereichertem Uran als Kernbrennstoff, entsteht Plutonium, dessen beide Isotope 239Pu und 241Pu spaltbar sind. Im Falle einer Wiederaufarbeitung und Rückführung des nicht verbrauchten Urans und Plutoniums in den Brennstoffkreislauf reduziert sich der Bedarf an Natururan im Vergleich zur direkten Endlagerung, z. B. bei einem Leichtwasserreaktor um 30-40 %. Bei einem schnellen Brüter ist die Wiederaufarbeitung und Rückführung des Plutoniums zwingend erforderlich. Der Natururanbedarf geht bei einem Brutreaktor auf 2-3 % der bei einem Leichtwasserreaktor gleicher Leistungsgröße benötigten Natururanmenge zurück.
b) Thorium-Uran-Zyklus: Dieser Brennstoffkreislauf, der für Leichtwasserreaktoren, für Schwerwasserreaktoren und vor allem für Hochtemperaturreaktoren infrage kommt, basiert auf der Verwendung von hochangereichertem Uran als Brennstoff und Thorium als Brutstoff, dessen Isotop 232Th in das spaltbare Isotop 235U umgewandelt wird. Bei einer Wiederaufarbeitung und Rückführung des nicht verbrauchten Brennstoffes lassen sich Konversionsfaktoren bis in die Nähe von 1 erzielen. Dadurch reduziert sich ebenfalls der Natururanverbrauch im Vergleich zur direkten Endlagerung, z. B. bei einem Hochtemperaturreaktor um 85 %.
c) Thorium-Uran-Plutonium-Zyklus: Verwendet man Thorium als Brutstoff und niedrigangereichertes Uran als Brennstoff, so entsteht durch Konversion nicht nur spaltbares 233U, sondern auch spaltbares Plutonium. Die Konversionsfaktoren, die hier erzielt werden, sind jedoch geringer als bei den Zyklen a) und b).