核電站產生的放射線核廢料為高度危險物質，人體暴露在核廢料下可能致癌。核廢料的放射毒性取決于多種因素，如物理半衰期、生物半衰期、核素可能富集的器官或組織對核輻射的敏感性、核素輻射的致電離功率（取決于放射性核素釋放的輻射能量）等。據此，137銫、90鍶、和131碘屬于在人體壽命范圍內具有最高危險性的放射性核素。其他具有長期危險性的核素還包括239鏷。這些核素對子孫后代都將構成嚴重威脅。

核廢料包括乏燃料、乏燃料后處理廢水，以及高度放射性液體核廢料濃縮形成的固形物。直到1000年后，放射性核裂變產物才會通過不同核反應路徑衰變為各種無害穩定的元素。而超鈾元素的衰變經過500000年才會達到同等水平。高濃度核廢料所含大多數放射性同位素都為高輻射性物質，其半衰期特別長（有些同位素的半衰期甚至超過100000年）。上述核廢料的放射性降低到安全水平需要漫長的時間。同時，受污染裝備（手套箱、空氣過濾器、屏蔽材料及實驗室設備）、防護服、清潔抹布等數量巨大的核廢料中的污染物質為含量極低的放射性元素，這些核廢料為低放射性廢棄物。經過洗消處理的退役核反應堆部件也屬于低放射性核料范疇。低放射性廢棄物所含放射性同位素的放射性水平較低、半衰期較短。上述廢棄物儲存10~50年后，大多數放射性同位素將衰減至安全水平，然后即可以將其作為普通廢棄物進行處理。

核廢料的安全處理是一個令人頭疼的環境問題。高放射性核廢料通常需要固封于鵬硅酸鹽玻璃中，然后在受控儲藏室內封存。乏燃料一般需要進行后處理。某些低放射性核廢料與灰渣一起焚燒，然后存放于靠近地表的受控儲藏室內。某些低放射性和中等放射性核廢料（包括超鈾核素污染物及退役核反應堆）至今仍未有成熟的處理辦法。存在的主要問題包括：如何在處理時保證安全、如何確定廢料最終產物的成分及結構、如何最小化廢料最終產物的體積，以及如何達到各種放射性核廢料儲藏室的穩定性要求。

高濃度、具有長期危險性的放射性核素可封固與玻璃及陶瓷內部進行穩定。不同的玻璃/陶瓷材料對應的廢料負荷各不相同。對于中等放射性廢料，鵬硅玻璃的廢料負荷為20%~30%。而類玄武巖玻璃陶瓷中的廢料負荷則高達40%~100%。低放射性廢料的廢料負荷與普通污染物廢氣物類似，而采用類玄武巖玻璃陶瓷作為封固材料，則可以將低放射性廢料和普通污染廢棄物的體積降至最小。

等離子體電弧可將無機物和金屬融入熔融玻璃或金屬中，然后將其在儲存罐內保存。對有機物則可實現改性和氧化。鹵化物、硫化物及金屬在氣化后由廢氣收集系統收集。熔爐采用低溫冷爐頂和廢料喂料裝置以防止揮發。氣冷產物在淬冷和洗滌工序后，分別經過預過濾器、活性炭過濾器和高效空氣粒子過濾器以達到環境法規要求。汞氘和C-14含量較高的廢料則需進行特別處理。

玻璃化工藝的總體積縮減比超過100:1.幾乎全部短期和長期放射性核素均在地質穩定期達數百萬年的巖層中安全保存起來。此外，還有極少量放射性核素發生揮發或進入工藝廢氣中，隨后壓縮成為低放射性二級廢料，埋置于接近地表的儲藏室內。根據其組成成分和放射性水平，二級廢料的形態可能為玻璃狀、溶膠/凝膠狀或水泥狀。廢料中富集的金屬可進行分離，分離后的金屬可作為屏蔽材料或容器材料循環使用，同時可以縮小工藝產物的體積。分離出的金屬可通過熔渣/金屬反應去除污染物質。受污染濾芯及其他工藝廢棄物可投入熔爐中進行安全處理。

與處理工業垃圾或生活垃圾的等離子體電弧熔爐相比，用于處理放射性廢料的熔爐尺寸較小。然而，使用規模較大的系統依舊可實現規模經濟。近期公布的示范樣機已經實現了低至13000美元/噸的處理成本。文獻中提及的一套處理系統為美國阿爾貢國家實驗室從1996年開始建造并運行的等離子體熔爐處理（PHP）系統。根據設計，PHP系統可處理容量為208L的封閉容器，由此可降低運輸需求和運輸成本、減少二級廢棄物，同時降低工人暴露水平。

核廢料的處理必須符合美國國家環保局頒布的嚴格環保法規的要求。地下水滲率試驗采用美國環保局制定的《毒性特性滲率試驗程序》。試驗中，將核廢料浸沒在水中，然后檢測滲率中的顆粒污染物濃度。長期耐久性試驗則采用《產品均一性測試驗程序》，該實驗程序與TCLP類似，但暴露時間更長，從而精確檢定污染物類別。

放射性廢料處理系統必須確保在運行過程中不產生二次污染物。某些物質，特別是高蒸氣壓力有毒金屬容易發生氧化，并進入爐渣。放射性核素可能滲入工藝廢氣，并形成新的污染物，必須對此進行附加處理。常見廢氣檢測設備包括用于揮發性有機蒸汽檢測的現場萃取式傅里葉變換干涉儀、用于金屬蒸汽檢測的激光感應衰變光譜測試儀等。