ته‌مانده فعالیت‌های هسته‌ای را که مواد زایدی هستند که عناصر شیمیایی رادیواکتیو دارند و کاربرد مفیدی ندارند، زباله هسته‌ای می‌گویند. با گذشت زمان، رادیواکتیویته زباله‌های هسته‌ای کم می‌شود و در نهایت، تمام زباله‌ها به عناصر غیررادیواکتیو تبدیل می‌شوند.
بعد از حدود ۴۰سال، ۹/۹۹ تابش ناشی از سوخت هسته‌ای مصرف‌شده، از بین می‌رود. هرچه یک رادیوایزوتوپ سریع‌تر متلاشی شود، اشعه رادیواکتیویته آن شدیدتر است.
فاکتور دیگری که تعیین می‌کند یک ماده رادیواکتیو خالص چه‌قدر خطرناک است، انرژی تابش است. بعضی از تلاشی‌ها بیش‌تر از بقیه انرژی آزاد می‌کنند.
این موضوع وقتی پیچیده‌تر می‌شود که بدانیم رادیوایزوتوپ‌های کمی به سرعت در اثر تلاشی به وضعیت پایدار می‌رسند و اغلب به محصول رادیواکتیو دیگری تبدیل می‌شوند!
هدف اصلی دفع زباله رادیواکتیو، حفاظت محیط‌زیست است. فناوری اصلی برای دفن زباله‌های خطرناک‌تر، دفن مطمئن در اعماق خاک است.
● انواع زباله هسته‌ای
▪ زباله سطح پایین:
در بیمارستان‌ها و صنعت و نیز در رآکتور تولید می‌شود و شامل کاغذ، پارچه، ابزارآلات، پوشاک، فیلتر و غیره است که به مقادیر کمی از رادیواکتیویته آلوده است و اغلب طول عمر کوتاه دارد.
در حین کار کردن یا انتقال این مواد، نیازی به محافظت نیست و دفن کم‌عمق در زمین برای آن‌ها مناسب است. برای کاهش حجم، اغلب این مواد قبل از انهدام فشرده یا سوزانده می‌شوند.
▪ زباله سطح متوسط:
مقدار بیش‌تری رادیواکتیویته دارد و احتیاج به محافظت دارد و معمولا شامل رزین‌ها، فضولات شیمیایی و نیز اجزای آلوده رآکتورهاست.
ممکن است این مواد را برای دور ریختن با بتون یا قیر به صورت جامد درآورند. معمولا زباله‌های با طول عمر کوتاه (ناشی از رآکتورها هستند) در انبارهای کم عمق اما آن‌هایی که طول عمر بیش‌تری دارند (ناشی از عمل‌آوری مجدد سوخت) در اعماق زمین دفن می‌شوند.
▪ زباله سطح بالا:
از مصرف سوخت اورانیوم در یک رآکتور هسته‌ای و عملیات تولید سلاح‌هایهسته‌ای به‌دست می‌آیند. این مواد به شدت رادیواکتیو و داغ‌اند. HLW بیش از ۹۵درصد تمام رادیواکتیویته حاصل از فرایند تولید برق هسته‌ای را دربر‌می‌گیرد.
● دور ریختن زباله‌های سطح بالا
زباله رادیواکتیو سطح بالا به‌طور موقت در استخرهای سوخت مصرف‌شده و در تسهیلات ذخیره شبکه خشک (dry cask storge) نگهداری می‌شود.
در ۱۹۹۷ در ۲۰کشور که عمده انرژی اتمی جهان در آن‌ها تولید می‌شود، ظرفیت ذخیره سوخت مصرف‌شده در رآکتورها، ۱۴۸هزار تن بود که ۵۹درصد آن مورد استفاده قرار گرفت.
ظرفیت ذخیره جدا از رآکتورها، ۷۸هزار تن بود که ۴۴هزار تن آن به مصرف رسید. افزایش سالانه در حدود ۱۲هزار تن است در نتیجه دفع نهایی فوری و اضطراری نیست.
فرانسه در زمینه آماده‌سازی برای دفع HLW پیشتاز است. در ۱۹۸۹ و ۱۹۹۲ کارخانه‌های تجاری را مکلف کرد تا HLW باقی‌مانده از عمل‌آوری مجدد سوخت اکسید را تبدیل به شیشه کنند.
اگرچه در سایر نقاط به خصوص در بریتانیا و بلژیک تسهیلات کافی وجود دارد. ظرفیت این کارخانه‌های اروپای غربی ۲۵۰۰کانیستر (t۱۰۰۰) در سال است و بعضی از آن‌ها ۱۸سال است که مشغول به‌کارند. صخره سنتزی (Synroc) استرالیایی‌ها، روش پیچیده‌تری برای دفع این‌گونه زباله‌هاست.
این فرایند ممکن است در نهایت برای زباله‌های شهری استفاده تجاری پیدا کند. (در حال حاضر برای زباله‌های نظامی آمریکا به‌کار می‌رود.) انتخاب مخازن عمیق نهایی و مناسب در چندین کشور بررسی می‌شود و انتظار می‌رود اولین آن کمی بعد از ۲۰۱۰ راه‌اندازی شود.
سوئد از نظر برنامه‌های دفع مستقیم سوخت مصرف‌شده بسیار پیش‌رفته است، چرا که پارلمان آن کشور متقاعد شد استفاده از تکنولوژی KBS-۳ در حد قابل‌قبولی، مطمئن است. در آلمان بحث سیاسی در مورد یافتن یک مخزن نهایی برای زباله رادیواکتیو وجود دارد.
ایالات‌متحده یک مخزن نهایی در کوه Yucca در «نوادا» را برگزیده است. پیشنهادی نیز برای یک مخزن HLW بین‌المللی در مناسب‌ترین مکان‌ها از نظر زمین شناختی _ که استرالیا و روسیه مکان‌های محتمل هستند _ شده‌است.
با این وجود وقتی پیشنهاد مخزن جهانی در استرالیا مطرح شد، اعتراضات سیاسی داخلی گسترده و مستمری به‌وجود آمد که انجام چنین کارهایی را بعید می‌کند. رآکتورهایی پیشنهاد شده‌اند که زباله هسته‌ای را مصرف و آن را به زباله هسته‌ای کم ضررتر تبدیل می‌کنند.
بالاخص رآکتورهای Integral Fast یک رآکتور هسته‌ای مطرح شده بود با چرخه سوخت هسته‌ای که هیچ زباله فرااورانیومی تولید نمی‌کرد و در واقع می‌توانست زباله فرااورانیومی را مصرف کند. این طرح تا مرحله آزمایش وسیع و گسترده پیش رفت، اما بعد توسط دولت ایالات متحده لغو شد.