Pirmiausia vykdoma urano rūdos telkinių paieška ir atrastų uolienų klodų ivertinimas, kurio metu nustatoma urano rūdos koncentracija ir, apskaičius jos gavybos savikainą, priimamas sprendimas dėl telkinio tolimesnio eksploatavimo.

Trumpai apie urano išteklius pasaulyje. Uranas - plačiai paplitęs Žemėje elementas. Aplinkoje aptinkami du gamtiniai urano izotopai: U-238 (99,3 %) ir U-235 (0,7 %), kartu su daugybe jų skilimo produktų. Uranas labiau paplitęs negu auksas ar sidabras, bet mažiau negu švinas arba varis. Vidutinė urano koncentracija:

• viršutiniame grunto sluoksnyje - 2-3 g/t
• granituose - 4-5 g/t
• (palyginimui: aukso - 0,004 g/t, geležies - 50000 g/t)

Urano yra daugelio uolienų sudėtyje bei jūros vandenyje. Bendras įvertintas urano rūdos U₃O₈ kiekis pasaulyje - apie 4 000 000 t.

Nusprendus pradėti telkinio eksploataciją, pradedami urano rūdos kasybos darbai, kurie, priklausomai nuo telkinio gylio, gali būti atliekami žemės paviršiuje arba giliau iškastose šachtose. Toliau urano rūda (kurioje urano oksido (U₃O₈) yra iki 1 %) vežama į perdirbimo gamyklą, kurioje ji sumalama ir šarminių reakcijų metu gaunamos vadinamasis „geltonasis keksas“ (angl. - Yellowcake), kuriame urano oksido yra apie 80% visos medžiagos. Sumaltas urano oksidas turi būti paverčiamas urano heksafluoridu (UF6). Kartais U3O8 verčiamas keramikinės formos urano dioksidu UO₂ , kuris iš karto gali būti naudojamas kaip kuras tokiuose branduoliniuose reaktoriuose kaip CANDU, kurie nereikalauja sodrinto kuro.

Kadangi gamtoje esančiame urane grandininei reakcijai palaikyti reikiamo urano U-235 yra tik 0,71 % (likusius 99,3 % sudaro U-238), būtina uraną sodrinti. Sodrinama izotopų atskyrimo, dujinės difuzijos arba dujų centrifugos metodais. Po sodrinimo gautame UF₆ grandininei reakcijai reikalingo U-235 koncentracija siekia iki 3,5% (priklausomai nuo reaktoriaus, kuriame kuras bus naudojamas, rūšies).

Pagaliau prisodrintas urano heksafluoridas branduolinio kuro gamykloje paverčiamas urano dioksido (UO2) milteliais, kurie yra supresuojami į tabletės pavidalo formą. Po terminio apdirbimo urano tabletės tampa ypatingai kietos ir yra sudedamos į metalo (dažniausiai cirkonio) strypus, kuriuos sujungus į tam tikrą formą (priklausomai nuo reaktoriaus, kuriam kuras gaminamas), gaunamas galutinis pirmojo branduolinio kuro ciklo etapo produktas.

Atominės elektrinės reaktoriuje branduolinis kuras patalpinamas į reaktoriaus šerdį. 1000 MW elektrinės galios reaktoriaus normaliai veiklai užtikrinti į reaktoriaus šerdį reikia patalpinti 75 tonas sodrinto urano. Keičiant panaudotą branduolinį kurą nauju, reaktorius dažniausiai yra sustabdomas. Kai kuriuose branduoliniuose reaktoriuose kuras gali būti keičiamas ir nestabdant reaktoriaus darbo (pvz. RBMK ar CANDU tipo reaktoriuose).

Panaudotas branduolinis kuras pirmiausia yra laikomas reaktoriaus pastate arba šalia reaktoriaus esančioje teritorijoje suprojektuotuose vandens baseinuose. Jeigu baseinų plotas yra pakankamas, iš baseino išimtas panaudotas branduolinis kuras gali būti saugomas specialiose panaudoto branduolinio kuro saugyklose. Panaudoto kuro strypai baseine laikomi kelerius metus. Jeigu branduolinio kuro cikle yra perdirbimo fazė, tuomet panaudotas kuras, kuriame yra nemažai dalių urano U-235 ir plutonio Pu-239, nedalaus urano U-238 ir kitų radioaktyvių elementų, gabenamas į perdirbimo gamyklą, kurioje cheminių reakcijų metu grandininei reakcijai tinkami cheminiai elementai išskiriami iš panaudoto branduolinio kuro. Perdirbamatose šalyse, kurių ekonominės galimybės leidžia palaikyti šią daug lėšų reikalaujančią ir kartu aplinkos taršą radionuklidais mažinančią procedūrą. Kartais atliekamas pažangusis perdirbimas, kurio metu fotonų ar neutronų srautas nukreipiamas į panaudotą branduolinį kurą. Taip pavojingiausi ilgaamžiai radionuklidai virsta trumpaamžiais. Šis metodas vadinamas radionuklidų transmutacija.

Paskutinė ir daug diskusijų kelianti branduolinio kuro ciklo dalis yra panaudoto branduolinio kuro ir radioaktyviųjų atliekų saugojimas ir laidojimas. Galimi 3 principiniai branduolinių reaktorių kuro tvarkymo metodai:

• panaudotas branduolinis kuras saugomas (kartu su dalijimosi produktais, nepanaudotu uranu ir plutoniu), numatant vėliau jį laidoti visiškai neperdirbtą;
• panaudotas branduolinis kuras perdirbamas, išskiriant iš jo uraną, o atliekos, kuriuose lieka plutonis ir dalijimosi produktai, saugomos ir laidojamos;
• panaudotas branduolinis kuras perdirbamas, išskiriant iš jo uraną ir plutonį, o atliekos, kuriuose lieka dalijimosi produktai, saugomos ir laidojamos.

Daugiausiai lėšų reikalauja didelio aktyvumo atliekų izoliavimas nuo aplinkos. Tam gali būti panaudojami paviršiniai kapinynai ir geologinės saugyklos, kuriose atliekos laidojamos laikantis pagrindinių tarptautiniu mastu pripažintų radioaktyviųjų atliekų tvarkymo principų ir pažangiausių laidojimo metodų.