原子炉で燃焼が終わった使用済み燃料そのもの、あるいは使用済み燃料から再処理によってウランとプルトニウムを分離した残りの成分。原子炉で生成された放射性物質のほとんどすべてを含む有毒物質で、特に超ウラン元素（原子番号92のウランよりも大きな原子番号をもつ、人工的な放射性元素）を含む場合には100万年にわたる管理が必要となる。原子力開発が始まって60年以上たつが、高レベル放射性廃棄物の処分は一例も行われていない。