Après enrichissement, l'hexafluorure d'uranium (UF6) est transformé en oxyde d'uranium, une poudre noire comprimée par la suite en petites pastilles. Chacune d'entre elles ne pèse que 7 grammes et peut libérer autant d'énergie qu'une tonne de charbon.

Le zirconium est le matériau de référence des assemblages combustibles nucléaires du fait de sa transparence aux neutrons et de ses propriétés de tenue en température et de résistance à la corrosion. Dans un combustible nucléaire, les tubes de zirconium constituent la première barrière de confinement entre la matière et le réacteur.

Ultime étape avant l'assemblage, la fabrication des crayons de combustible consiste à empiler des pastilles d'oxyde d'uranium dans des tubes de zirconium. Ce dernier permet d'augmenter le taux de combustion - la quantité d'énergie délivrée en réacteur - et d'améliorer la manouvrabilité.

Une fois constitué, un assemblage de combustible rassemble 264 "crayons" étanches de 4 mètre de long, soit plus d'un kilomètre de tubes, et contient de 200 à 500 kg de matière fissile. Ce système d'assemblage permet également une utilisation souple des "crayons", comme leur remplacement à l'unité.

L'assemblage de combustible prend place dans le cour du réacteur où il va fournir de l'énergie pendant, en moyenne, trois à quatre années, une durée qui a doublé en 25 ans. Selon les types de centrales, le cour comprend de 157 assemblages à 241 pour l'EPR™.

Le combustible nucléaire peut également se destiner à l'un des quelque 250 réacteurs de recherche en service dans le monde. Il participe alors à diagnostiquer ou traiter les cancers, ou encore à tester le vieillissement des matériaux sous irradiation.

Le MOX est un combustible nucléaire issu du recyclage. Il permet de valoriser 96 % du combustible usé et présente un comportement comparable à celui d'une solution à l'uranium enrichi. L'usine Melox, à Marcoule (Gard), est leader mondial sur le marché du MOX et fait face à une demande croissante.