원자로 안에 장입(裝入)하여 핵분열을 연쇄적으로 일으켜서 이용 가능한 에너지를 얻을 수 있는 물질. 원자연료라고도 한다. 우라늄 235 ²³⁵U·우라늄 233  ²³³U·플루토늄 239 ²³⁹Pu 등이 대표적인 물질이다.

이 중에서 우라늄 235²³⁵U는 우라늄의 동위원소이며, 어느 정도의 양, 즉 임계량(臨界量)을 모아 원자로 안에 넣으면 중성자가 중개를 하여 지속적인 핵분열 반응이 진행된다. 우라늄 235 ²³⁵U는 천연우라늄 속에 불과 0.7 %밖에 함유되어 있지 않으므로 천연우라늄을 사용하는 한 임계량이 커지고, 중성자를 강하게 흡수하는 경수(輕水)를 감속재로 사용할 수 없으므로 원자로의 용량이 커진다.

이 때문에 우라늄 235 ²³⁵U의 존재비를 인위적으로 높인 농축우라늄을 연료체로 하는 원자로가 많다. 특히 소형화가 요구되는 선박추진용 원자로나, 일정 출력당의 건설비에 제약을 받는 발전용 원자로는 대부분 농축우라늄을 사용한다. 다만, 우라늄의 농축을 공업적으로 하는 데는 고도의 기술과 방대한 설비 및 전력을 필요로 하기 때문에, 현재 이것을 할 수 있는 나라는 미국·러시아·영국·프랑스·중국·일본뿐이다.

우라늄 233²³³U·플루토늄 239 ²³⁹Pu는 인공핵 분열 물질인데, 우라늄 233 ²³³U은 토륨이 중성자를 흡수함으로써 생성되고, 플루토늄 239 ²³⁹Pu는 천연 우라늄의 약 99 %를 차지하는 우라늄 238 ²³⁸U이 중성자를 흡수함으로써 생성된다. 예를 들면, 플루토늄과 천연우라늄의 혼합물, 또는 플루토늄을 첨가한 감손(減損)우라늄을 중성자로의 연료로 사용하면 농축우라늄과 유사한 일을 한다.

플루토늄 239 ²³⁹Pu를 우라늄 238 ²³⁸U과 조합하여 열중성자로의 연료로 사용하거나, 우라늄 233 ²³³U과 토륨 232 ²³²Th를 조합하여 열중성자로의 연료로 사용하면 조건이 좋은 경우 둘 다 소비한 핵분열성 물질의 양보다 친분열성(親分裂性) 물질의 양이 많아질 가능성이 있으며, 이것을 핵연료의 증식(增殖)이라 한다.