Käytetty ydinpolttoaine on radioaktiivista materiaalia, jota on käytetty polttoaineena ydinvoimalaitoksissa. Kun tätä materiaalia on käytetty huomattavan kauan, se menettää tehonsa polttoaineena ja se on vaihdettava. Valitettavasti tässä vaiheessa se on radioaktiivista jätettä, joka voi olla tappavaa ihmisille ja muille olennoille tuhansia vuosia. Menetelmät käytetyn ydinpolttoaineen hävittämiseksi ovat usein olleet kiistanalaisia. Jotkut tutkijat ovat ehdottaneet jätteen uudelleenkäsittelyä hyödylliseksi polttoaineeksi vaihtoehtona muille hävitysmenetelmille.
Ydinvoimalaitokset tuottavat sähköä kontrolloiduilla ydinreaktioilla. Tähän kuuluu erittäin radioaktiivisten materiaalien, kuten uraanin ja plutoniumin, käsittely. Tämän polttoaineen käyttöaika vaihtelee riippuen reaktorin iästä ja sen tekniikan tasosta. Vuodesta 2011 lähtien useimmat nykyaikaiset ydinvoimalat voivat käyttää polttoainetta kolmesta kuuteen vuoteen, ennen kuin materiaali huononee niin, että siitä ei enää ole hyötyä. Tämän jälkeen materiaalia pidetään käytettyä ydinpolttoainetta.
Yhdysvaltain energiaministeriön mukaan Yhdysvaltojen ydinvoimalat tuottavat noin 2,000 tonnia käytettyä ydinpolttoainetta vuodessa. Ongelmaksi muodostuu sitten sen hävittäminen. Useimmat ydinlaitokset sijoittavat polttoaineen lähellä oleviin eristettyihin säiliöihin, joita kutsutaan käytetyn polttoaineen altaiksi. Näiden säiliöiden erikoiskäsitelty vesi jäähdyttää materiaalin ja absorboi suurimman osan polttoaineen säteilystä. Materiaalia säilytetään usein näissä altaissa 10–20 vuotta.
Vuosikymmenien käytön jälkeen monet näistä säiliöistä ovat kuitenkin lähes täynnä käytettyä ydinpolttoainetta. Yhdysvaltain ydinsääntelykomission arvioiden mukaan monet niistä ovat käyttökelvottomia vuoden 2015 jälkeen. Yhdysvaltain lain mukaan hallituksen on löydettävä pysyvä varasto vaaralliselle ydinjätteelle, mutta ympäristönäkökohdat ovat estäneet tällaisen varastointipaikan rakentamisen. Sillä välin käytetty polttoaine laitetaan betonitynnyreihin, mutta tämä menetelmä on myös kiistanalainen ympäristö- ja turvallisuussyistä. Muut maat, joilla on ydinreaktorit, kohtaavat samanlaisia ongelmia.
Yksi ratkaisu, jota Ranskan ja Venäjän kaltaiset maat ovat jo käyttäneet, on käytetyn ydinpolttoaineen uudelleenkäsittely. Koska käytetty polttoaine pysyy radioaktiivisena, sitä voidaan käyttää energian tuottamiseen edelleen uudelleenkäsittelyn jälkeen; vähemmän radioaktiivista jätettä syntyy uudelleenkäytetystä polttoaineesta, vaikka prosessi itsessään on kallis. Nämä asiat saivat uuden merkityksen vuoden 2011 Japanin maanjäristyksen ja ydinkriisin jälkeen, mikä sai monet tutkimaan uudelleen ydinvoimapolitiikkaa. On myös huolestuttavaa, että jotkut maat voivat käyttää käytettyä ydinpolttoainetta ydinaseiden luomiseen. Ydinvoima ja radioaktiivinen jäte ovat aina olleet kiistanalaisia kysymyksiä, ja keskustelu näyttää jatkuvan todennäköisesti myös tulevaisuudessa.