핵연료(核燃料, 영어: nuclear fuel)는 원자력을 이끌어 내는데 필요한 물질로, 화학적 연료가 연소되어 에너지로 변화하는 것과 유사하다. 핵연료는 에너지 밀도가 높아 많은 에너지를 발생시킨다.핵연료는 무거운 원소가 포함되어 있어, 이 원소가 핵분열로 인한 연쇄 반응으로 인해서 에너지를 발생시키게 된다. 대다수의 핵연료는 235U과 239Pu이 주로 쓰인다. 핵연료를 사용하기 위해 채광, 정제, 사용, 처분까지 걸리는 과정을 통틀어 핵연료 주기라고 말한다.모든 핵연료가 핵분열을 이용하는 원자로에 사용되는 것은 아니다. 플루토늄-238과 다른 원소들은 방사성동위원소 열전기 발전기에서 열원으로 사용되거나, 다른 원자력 전지의 에너지 원으로 사용된다. 3H (삼중수소)같은 가벼운 원소는 핵융합의 연료이기도 하다.

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