Jedan od najvećih problema u radu s nuklearnim materijalima jest shvatiti što učiniti s tim materijalima kada su naživjeli svoju korisnost. Stvari poput istrošenog nuklearnog goriva iz elektrana i vojnih operacija mogu biti vrlo opasne, ali nemaju praktičnu primjenu, prisiljavajući vlade i agencije za zaštitu okoliša da osmisle metode zbrinjavanja nuklearnog otpada koje su sigurne i učinkovite. Nepravilno rukovanje nuklearnim otpadom može rezultirati ozbiljnim problemima, kao što je degradacija okoliša.
Ponekad se zbrinjavanje nuklearnog otpada može postići ponovnom obradom otpada kako bi se mogao upotrijebiti za nešto drugo. Ponovna obrada će generirati nešto otpada, ali smanjuje ukupnu količinu otpada i može stvoriti značajne uštede oslobađanjem upotrebljivog materijala koji bi inače bio odbačen. Neke industrije koriste ponovnu preradu za razbijanje nuklearnog otpada na različite komponente kako bi se olakšalo rukovanje tijekom procesa zbrinjavanja nuklearnog otpada.
Nuklearni otpad se ne može odlagati na ivičnjak sa smećem jer stvara zračenje. Jedna od najčešćih tehnika trajnog zbrinjavanja nuklearnog otpada je zakapanje. Kada se radioaktivni otpad zakopa, on se pohranjuje u velike bačve koje su dizajnirane da izdrže radioaktivnost. Bubnjevi su zakopani duboko pod zemljom u seizmički stabilnom području, gdje se nuklearni otpad tijekom stoljeća raspada na manje hlapljive komponente. Ovakav pristup zbrinjavanju nuklearnog otpada donekle je problematičan, jer bi bubnjevi mogli otkazati, uzrokujući zagađenje, ili bi buduće civilizacije mogle iskopati mjesto, ne shvaćajući da sadrži opasne materijale.
Neki ljudi su zagovarali ispaljivanje nuklearnog otpada u svemir. Svemir već ima veliku količinu pozadinskog zračenja, pa je malo vjerojatno da će nuklearni otpad uzrokovati problem radijacije u svemiru, ali pomisao na ostavljanje bubnjeva istrošenih nuklearnih materijala koji lebde svemirom nekim je ljudima neugodna. Izražena je i zabrinutost oko sigurnosti brojnih odbačenih objekata koji lebde u svemiru, jer bi ti objekti u nekom trenutku mogli postati opasnost za navigaciju.
Gospodarenje nuklearnim otpadom kritično je pitanje u cijelom svijetu, posebno s porastom nuklearnih elektrana kao popularne alternative za proizvodnju energije. Nuklearna energija ne stvara emisije, što je čini privlačnom s ekološkog stajališta, a mnoge se nacije uvelike oslanjaju na nuklearnu energiju za energiju. Kao rezultat toga, nuklearni otpad se počeo gomilati u nekim regijama svijeta, što dovodi do pitanja koliko je nuklearna energija stvarno prihvatljiva za okoliš.