後處理模式
在核反應堆中裝填的核燃料實際上不可能一次完全耗盡，而其在輻照過程中也會産生新的核燃料。如果将反應堆中已燒“乏”的燃料，通過化工後處理過程将殘留的和新生成的核燃料提取出來，經加工後再制成元件，重新返回堆中使用，這就構成了真正意義上的完整核燃料循環。因此，也稱其為“閉路核燃料循環”。為了獲取武器級钚裝料，隻有通過後處理過程才能将在反應堆輻照後的燃料中的钚分離出來。顯然，此情況下必須采用這一模式。
一次通過模式
随着核電事業的逐漸發展，乏燃料的數量愈積愈多，相應的天然鈾原料卻因供過于求而價格過低，而反應堆級钚的需求因快增殖堆發展遲滞而大減；同時對乏燃料後處理的安全與環保要求愈加嚴格，導緻後處理的費用大幅度上升；加之國際政治推行核不擴散政策。由此，20多年前，出現了“一次通過”的模式，即讓乏燃料先暫時（也可能需長達數十年）貯存，然後将其直接永久處置掉，不再經後處理。按照這種模式，核燃料僅在反應堆中使用一次，不能被回收并返回，實際上也并未構成“循環”，因此隻能稱為“開路核燃料循環”。
各國依據各自的政治、經濟、自然和資源等條件來選擇不同的模式。由于某些條件的限制，尤其對一些中小國家來說，以上兩種模式對他們都不适宜。因而，一段時期以來，又誕生了一種叫做“等着瞧（wait and see）”的模式，即當前先将乏燃料長期（數十到上百年）貯存着，等待将來時機成熟時再做出抉擇。不過，這終究是一種權宜之計。
近期，為了減少乏燃料的數量并充分利用壓水堆乏燃料中的資源，韓國和加拿大等國正在開發一種被稱為“DUPIC（PWR乏燃料直接在CANDU堆中直接利用）”的循環模式，即先将壓水堆的乏燃料隻經簡單的高溫氧化揮發處理以去除氣态裂變産物，再将粉末狀的二氧化鈾燒結稱芯塊，制成供CANDU堆使用的燃料。
