Kernbrennstoffe sind Materialien, die zur Kernspaltung in Kernreaktoren eingesetzt werden.
Solche Stoffe sind vor allem Uran-235 und Plutonium-239, die meist in Oxidform vorliegen. Natururan besteht zu rund 99,3 Prozent aus dem Uranisotop Uran-238 und zu rund 0,7 Prozent aus Uran-235. Da in Kernreaktoren aber lediglich das Uran-235 „verbrannt“ wird, muss je nach Reaktortyp das Natururan unterschiedlich stark mit Uran-235 angereichert werden, damit der Reaktor kritisch wird. In vielen Reaktoren darf auch Mischoxid (MOX), ein Gemisch aus Uran- und Plutoniumoxid, als Kernbrennstoff verwendet werden.
Reaktortypen mit geeignetem Moderator und Kühlmittel können mit Natururan betrieben werden, z.B. die CANDU-Reaktoren.
In jedem uranbefüllten Reaktor findet auch die Transmutation von Uran-238 in Plutonium-239 statt. Auch ohne Aufbereitung und ohne Befüllung mit MOX nutzt ein Uranreaktor indirekt also immer auch Plutonium als Brennstoff.
Uran-233, ein Brennstoff, der aus dem häufig vorkommenden Thorium erbrütet werden kann, hat bisher keine wirtschaftliche Bedeutung.
Im Kernbrennstoff eines Reaktors erfolgen im Betrieb Kernspaltungs-Kettenreaktionen, bei denen Energie in Form von Wärme freigesetzt wird. Bei Kernkraftwerken wird aus dieser thermischen Energie dann elektrische Energie gewonnen.
Der Umgang mit Kernbrennstoffen ist gesetzlich z. B. durch das deutsche Atomgesetz geregelt (siehe auch Kernmaterialüberwachung).
