Nykyisten käytössä olevien reaktoreiden polttoaine valmistetaan uraanista, joka on hopeanharmaa luonnossa esiintyvä metalli. Luonnosta löydettävä uraani sisältää lähinnä kahta eri uraanin isotooppia, U-235:ä (pitoisuus 0,7110 %) ja U-238:a (pitoisuus 99,2836 %), ylijäävä hyvin pieni osuus (0,0054 %) on isotooppia U-234. Uraani on lievästi radioaktiivista, U-238:n puoliintumisaika on 4,48 miljardia vuotta ja U-235:n 704 miljoona vuotta. Tämän lievän aktiivisuuden takia uraani aiheuttaa elimistön ulkopuolella olleessaan liki olemattomia säteilyannoksia. Kuitenkin koska uraani lähettää alfasäteilyä, se voi elimistöön päästyään aiheuttaa paikallisia vaurioita myös säteilyn kautta. Yleensä suurempi riski uraanin käsittelyssä on kuitenkin, että se on kemiallisesti myrkyllinen, kuten muutkin raskasmetallit
Uraania on lähes kaikkialla maankamarassa ja Suomen kallioperässä sitä on keskimäärin neljä grammaa tonnissa kalliota. Maankamarassa olevalla uraanilla on joukko radioaktiivisia tytäraineita. Eräät niistä aiheuttavat uraania herkemmin ulkoista ja sisäistä säteilyaltistusta, mikä on otettava huomioon louhittaessa ja jalostettaessa uraanipitoista malmia.
Uraanin luonnossa esiintyvistä nuklideista vain U-235 fissioituu ja aiheuttaa reaktorissa tarvittavan ketjureaktion. Tämän takia suurin osa reaktorityypeistä vaatii, että U-235:n pitoisuutta uraanissa lisätään (tyypillisesti noin 3-4 %:iin). Tätä prosessia kutsutaan väkevöinniksi (enrichment) tai isotooppirikastukseksi. Väkevöinnissä jää vastaavasti yli uraania, jonka U-235-pitoisuus on laskenut alle luonnonuraanin pitoisuuden, eli köyhdytettyä uraania.
Reaktorissa polttoaineessa oleva U-235 halkeaa, tuottaen energiaa ja neutroneja, jotka voivat aiheuttaa seuraavan halkeamisen, sekä kaksi kevyempää ydintä, jotka ovat usein voimakkaasti radioaktiivisia. Lisäksi polttoaineessa oleva U-238 saattaa kaapata neutroneja, jolloin se muuttuu plutoniumiksi. Osa tästä syntyvästä plutoniumista halkeaa reaktorissa kuten U-235 tuottaen energiaa, kun taas osa jää käytettyyn polttoaineeseen. Näin myös U-238:ta saadaan irti energiaa. Tämän ilmiön hyödyntämiseksi on suunniteltu hyötyreaktoreista, jotka voisivat tuottaa enemmän polttoaineeksi kelpaavaa plutoniumia kuin ne käyttävät uraania.
Uraania, erityisesti polttoainevalmistusprosessissa ylijäävää köyhdytettyä uraania, käytetään myös muissa tarkoituksissa, usein juuri raskautensa takia. Lisäksi uraani on muihin raskasmetalleihin verrattuna helposti työstettävää ja valettavaa sekä melko halpaa. Näiden ominaisuuksiensa takia sitä käytetään joissakin maissa esimerkiksi ammuksissa ja panssaroinnissa. Uraania käytetään myös säteilysuojana vahvoille gammalähteille, sillä raskaana metallina se pysäyttää gammasäteilyä hyvin tehokkaasti, paremmin kuin esimerkiksi lyijy. Myös muissa paikoissa missä tarvitaan raskasta materiaalia, kuten joidenkin lentokoneiden siivekkeiden vastapainoissa sekä gyroskoopeissa. Aiemmin uraania on käytetty mm. joissain koristelaseissa sekä vanhoissa kameralinsseissä tuomassa vihreää väriä.
