后处理模式
在核反应堆中装填的核燃料实际上不可能一次完全耗尽，而其在辐照过程中也会产生新的核燃料。如果将反应堆中已烧“乏”的燃料，通过化工后处理过程将残留的和新生成的核燃料提取出来，经加工后再制成元件，重新返回堆中使用，这就构成了真正意义上的完整核燃料循环。因此，也称其为“闭路核燃料循环”。为了获取武器级钚装料，只有通过后处理过程才能将在反应堆辐照后的燃料中的钚分离出来。显然，此情况下必须采用这一模式。
一次通过模式
随着核电事业的逐渐发展，乏燃料的数量愈积愈多，相应的天然铀原料却因供过于求而价格过低，而反应堆级钚的需求因快增殖堆发展迟滞而大减；同时对乏燃料后处理的安全与环保要求愈加严格，导致后处理的费用大幅度上升；加之国际政治推行核不扩散政策。由此，20多年前，出现了“一次通过”的模式，即让乏燃料先暂时（也可能需长达数十年）贮存，然后将其直接永久处置掉，不再经后处理。按照这种模式，核燃料仅在反应堆中使用一次，不能被回收并返回，实际上也并未构成“循环”，因此只能称为“开路核燃料循环”。
各国依据各自的政治、经济、自然和资源等条件来选择不同的模式。由于某些条件的限制，尤其对一些中小国家来说，以上两种模式对他们都不适宜。因而，一段时期以来，又诞生了一种叫做“等着瞧（wait and see）”的模式，即当前先将乏燃料长期（数十到上百年）贮存着，等待将来时机成熟时再做出抉择。不过，这终究是一种权宜之计。
近期，为了减少乏燃料的数量并充分利用压水堆乏燃料中的资源，韩国和加拿大等国正在开发一种被称为“DUPIC（PWR乏燃料直接在CANDU堆中直接利用）”的循环模式，即先将压水堆的乏燃料只经简单的高温氧化挥发处理以去除气态裂变产物，再将粉末状的二氧化铀烧结称芯块，制成供CANDU堆使用的燃料。
