Als Ausgangsmaterial für die Spaltung dient bei fast allen Reaktortypen der gleiche „Brennstoff“: Uran-235. Aber: In der Natur vorkommendes Uran enthält mit nur rund 0,7 Prozent nicht genug von diesem Uran-Isotop für den Betrieb z. B. in Leichtwasserreaktoren. Um den Anteil auf die benötigten 3,5 bis 4,5 Prozent zu heben, muss man das Uran-235 anreichern. Hierfür gibt es verschiedene Verfahren. Anschließend wird das angereicherte Uran zu Tabletten gepresst und in Brennstäbe gefüllt. Diese fasst man wiederum zu Brennelementen zusammen.

Als Spaltmaterial wird in deutschen Kernkraftwerken Uran-235 (und manchmal auch Plutonium-239) verwendet. Das Uran muss dazu angereichert werden. Wie macht man das?

Üblich ist zum Beispiel, das Uran zunächst in eine gasförmige Verbindung umzuwandeln – in Uranhexafluorid (UF₆). Dieses Gas schickt man 10 bis 30-mal durch hintereinandergeschaltete Gaszentrifugen – im Prinzip Karussells für Gasmoleküle. Beim Herumschleudern werden schwere Moleküle stärker nach außen getrieben als leichte. So lassen sich die leichteren U-235F₆- von den etwas schwereren U-238F₆-Gasmolekülen trennen. Das so mit Uran-235 angereicherte Gas wird anschließend in Urandioxid-Pulver umgewandelt und zu Tabletten, sogenannten „Pellets”, gepresst (siehe Foto).

Bei den meisten Kernkraftwerkstypen werden diese Pellets in Metallröhren gefüllt, die Brennstäbe.

Außerdem kann Uran-238 durch Aufnahme eines Neutrons über mehrere Zwischenstufen in Plutonium-239 umgewandelt werden. Dieses lässt sich anschließend durch schnelle Neutronen im „Schnellen Brüter” spalten.

Brennstäbe sind Metallröhren, oft aus Zirkaloy, einer Zirkonium-Legierung. Bei heute üblichen Siedewasserreaktoren können sie rund vier Meter lang sein, bei einem Außendurchmesser von rund 10 Millimetern und einer Wandstärke von einem knappen Millimeter. Eine Feder hält die Pellets aus Urandioxid darin als Säule zusammen und schafft so zugleich Raum für Gase und flüchtige Spaltprodukte, die bei der Spaltung entstehen.

Mehrere Brennstäbe werden zu Brennelementen zusammengefasst. Im Bild ist ein Teil eines Brennelementes dargestellt, das in Druckwasserreaktoren zum Einsatz kommt.

Mehrere Brennstäbe werden zu Paketen, sogenannten Brennelementen, zusammengefasst. Im Kernkraftwerk Gundremmingen B besteht ein solches Element zum Beispiel aus 96 Stäben. Insgesamt befinden sich dort 784 Brennelemente im Reaktorkern, was rund 136 Tonnen Urandioxid entspricht.