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Der letzte Schritt der Brennstoffentsorgung ist die Endlagerung der hoch radioaktiven Abfälle, die wegen ihrer langen Halbwertszeiten über Tausende von Jahren für Lebewesen gefährlich bleiben. Bisherige Planungen technischer Anlagen bewegten sich stets, was die Garantie ihrer Funktionsfähigkeit betrifft, in sehr viel kürzeren Zeiträumen. Allein deshalb können alle vorgeschlagenen Lösungen keine völlige Sicherheit garantieren. Der wichtigste Gesichtspunkt ist dabei nicht so sehr die derzeitige Gefahr, sondern die Gefahr für zukünftige Generationen. Die Technologie der Abfallverpackung zur Vermeidung gegenwärtiger Gefahren ist relativ sicher.
Die derzeit favorisierte Lösung sieht eine Umwandlung in stabile Verbindungen vor, die in Keramik oder Glas eingeschlossen und anschließend in Behälter aus rostfreiem Stahl verpackt werden. Für die endgültige unterirdische Lagerung sind nur geologisch langfristig stabile Formationen mit sicherem Abschluss geeignet. Das Problem besteht darin, dass für keinen Ort in der Erdkruste absolute Stabilität sicher vorhersagbar ist. In Deutschland wird die Endlagerung in stillgelegten Salzbergwerken diskutiert.
Im Brennstoffkreislauf der schnellen Brüter wird das im Reaktor erzeugte Plutonium zu neuem Brennstoff aufbereitet. Der Rücklauf an die Brennelementefabrik besteht aus wieder gewonnenem Uran 238, Uranrückständen aus dem Lager der Isotopentrennanlage und einem Teil des wieder gewonnenen Plutoniums 239. Es muss kein zusätzliches Uran gefördert werden, da der Lagerbestand viele Brüter über Jahrhunderte versorgen könnte. Da Brüter mehr Plutonium 239 produzieren, als sie für ihre eigene Brennstoffversorgung benötigen, werden etwa 20 Prozent des wieder gewonnenen Plutoniums für die spätere Verwendung bei der Inbetriebnahme neuer Brüter auf Lager gelegt.
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