原発の使用済み核燃料を再処理してプルトニウムを取り出し、ウラン・プルトニウム混合酸化物（ＭＯＸ）燃料をつくり、高速増殖炉で使うシステム。再処理工場、ＭＯＸ燃料工場、高速増殖炉が主要３施設。実用化した国はなく、苦肉の策としてＭＯＸ燃料を原発で使うプルサーマルが広がっている。これもサイクルの一種といわれることもある。プルトニウム増殖に代わり放射性廃棄物の減少に重点を置いた高速炉という概念もある。

原子力発電所でウランを燃料に利用した後、使用済みの核燃料を再利用する計画に関わる施設。「再処理工場」（青森県）や「ＭＯＸ燃料加工工場」（同）、「ウラン濃縮工場」（同）などがある。再処理工場でプルトニウムを取り出し、ＭＯＸ燃料工場で加工する。ＭＯＸ燃料は本来、「高速増殖炉」に使う構想だったが、原型炉「もんじゅ」（福井県）の事故もあり、ふつうの原発で使うプルサーマル計画が進められた。

国内の原発で使い終えた核燃料はすべて、プルトニウムを取り出す「再処理」をして再び燃料として使うことになっている。青森県六ケ所村で日本原燃が再処理工場を造って１９９７年に完成する予定だったが、トラブルなどで今も完成していない。政府は、再処理後に出る「核のごみ」（高レベル放射性廃棄物）はガラスで固めて３００メートルより深い地下に埋める最終処分をすることにしている。