核废料包括乏燃料、乏燃料后处理废水以及高放射性液态核废料浓缩后形成的固体。放射性核裂变产物要经过1000年后，通过不同的核反应途径，才能衰变成各种无害而稳定的元素。超铀元素的衰变则要经过50万年后才能达到同样的水平。高浓度核废料中所含的放射性同位素，大部分都是半衰期极长的强放射性物质（有些同位素的半衰期超过10万年），上述核废料的放射性需要很长时间才能降低到安全水平。同时，巨量核废料中的污染物质如污染设备（手套箱、空气过滤器、屏蔽材料和实验室设备）、防护服、清洁抹布等，都是含量极低的放射性元素，这些核废料属于低放射性废物。 已进行去污处理的退役核反应堆部件也属于低放射性核材料。低放射性废物中所含的放射性同位素放射性水平低，半衰期短。经过10至50年的贮存，废物中的大部分放射性同位素将衰变至安全水平，然后可作为普通废物处理。

核废料的安全处置是一个令人头疼的环境问题。高放废料通常密封在碘硅酸盐玻璃中，然后存放在受控的贮存室中。乏燃料一般需要进行后处理。一些低放废料与灰烬一起焚烧，然后存放在靠近地面的受控贮存室中。对于一些低放和中放废物（包括超铀核素污染物和退役核反应堆），目前还没有成熟的处理方法。主要问题包括：如何确保处置过程中的安全性，如何确定最终废料产品的成分和结构，如何最大程度地减少最终废料产品的体积，以及如何满足各类放射性废物贮存室的稳定性要求。

高浓度、长期危害的放射性核素可以封存在玻璃、陶瓷内部进行稳定化处理。不同的玻璃/陶瓷材料对应不同的废物负荷，对于中放射性废物，硅化玻璃的废物负荷为20%~30%，玄武岩类玻璃陶瓷的废物负荷高达40%~100%。低放射性废物的废物负荷与一般污染废物相近，采用玄武岩类玻璃陶瓷作为封存材料，可以最大程度地减少低放射性废物和一般污染废物的体积。

等离子弧可将无机物质和金属熔化成熔融玻璃或金属，然后储存在储罐中。有机物质可进行改性和氧化。卤化物、硫化物和金属在气化后由废气收集系统收集。炉子采用低温冷炉顶和废物进料装置，防止挥发。气体冷却产品经淬火和洗涤后，经过预过滤器、活性炭过滤器和高效空气颗粒过滤器，符合环保法规。汞、氘和C-14含量高的废物需要特殊处理。

玻璃化工艺的总体积减少率超过 100:1。几乎所有短期和长期放射性核素都安全地储存在地质稳定的岩层中，可以保存数百万年。此外，极少量的放射性核素会挥发或进入工艺废气，然后被压缩成低放射性二次废物并埋在靠近地表的储存室中。根据其成分和放射性水平，二次废物可能以玻璃、溶胶/凝胶或水泥的形式存在。废物中富集的金属可以分离并回收用作屏蔽或容器材料，同时减少工艺产品的体积。分离出的金属可以通过炉渣/金属反应进行净化。受污染的过滤器和其他工艺废物可以在熔炉中安全处置。

与处理工业或生活垃圾的等离子弧炉相比，用于处理放射性废物的炉子尺寸较小。但是，通过使用更大的系统仍然可以实现规模经济。最近公布的演示原型已实现每吨低至 13,000 美元的处理成本。文献中提到的处理系统之一是美国阿贡国家实验室自 1996 年以来建造和运行的等离子炉处理 (PHP) 系统。根据设计，PHP 系统可以处理容量为 208L 的封闭容器，从而减少运输需求和运输成本，减少二次废物，并降低工人的暴露水平。

核废料的处理必须遵守美国环保局颁布的严格环保法规。地下水渗透性试验采用美国环保局制定的“毒性特征渗透性试验程序”，试验中将核废料浸入水中，测试渗透性中颗粒污染物的浓度。长期耐久性试验采用“产品均匀性试验程序”，与TCLP类似，但暴露时间更长，从而准确测试污染物类型。

放射性废物处理系统必须确保在运行过程中不产生二次污染物。某些物质，特别是高蒸气压有毒金属，很容易被氧化并进入炉渣。放射性核素可能会渗透到工艺废气中并形成新的污染物，必须进行额外处理。常见的废气检测设备包括用于挥发性有机蒸气检测的场提取傅立叶变换干涉仪、用于金属蒸气检测的激光诱导衰减光谱仪等。