Việc phân loại chất thải phóng xạ có sự khác biệt giữa các nước. Tiêu chuẩn An toàn Chất thải Phóng xạ (RADWASS), được xuất bản bởi Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) cũng đóng một phần quan trọng.[31]

Đuôi quặng cối xay

Đuôi quặng urano là sản phẩm phụ bỏ đi còn sót lại sau quá trình xử lý thô quặng urani. Cường độ phóng xạ của chúng không quá cao. Đuôi quặng cối xay đôi khi còn được gọi là chất thải 11(e)2, xuất phát từ số phần định nghĩa nó trong Đạo luật Năng lượng Nguyên tử 1946. Đuôi quặng urani cũng chứa kim loại nặng nguy hiểm hóa học như chì và asen. Những gò đuôi quặng rộng lớn hiện diện ở nhiều địa điểm khai thác cũ, nhất là ở các bang Colorado, New Mexico, và Utah của Hoa Kỳ.

Tuy đuôi quặng urani không có tính phóng xạ cao, chúng có chu kỳ bán rã dài. Chúng thường chứa radi, thori và dấu vết của urani.[32]

Chất thải cấp thấp

Chất thải cấp thấp (LLW) được tạo ra từ bệnh viện và công nghiệp, cũng như chu trình nhiên liệu hạt nhân. Chất thải cấp thấp bao gồm giấy, vải vụn, dụng cụ, quần áo, và những vật liệu khác chứa một lượng nhỏ chất phóng xạ tuổi thọ ngắn. Những vật có nguồn gốc từ một khu vực nhiễm xạ thường được phân loại là LLW, một biện pháp phòng ngừa ngay cả khi có ít khả năng nó bị nhiễm chất phóng xạ. LLW như thế thường có tính phóng xạ không cao hơn những vật xuất phát từ khu vực không nhiễm xạ. Một số ví dụ của chất thải cấp thấp như giẻ lau, cây lau, ống, xác động vật thí nghiệm, vân vân.[33]

Một số LLW có mức phóng xạ cao cần được bảo vệ khi xử lý và vận chuyển, tuy nhiên hầu hết LLW đều thích hợp để chôn gần bề mặt. Để giảm kích thước, người ta thường ép chặt hoặc đốt nó trước khi chôn. LLW được chia thành bốn cấp: cấp A, cấp B, cấp C, và cao hơn cấp C.

Chất thải cấp trung bình

Chất thải cấp trung bình (ILW) chứa lượng phóng xạ lớn hơn và thường là cần ngăn cách, nhưng không cần làm lạnh.[34] Chất thải cấp trung bình gồm nhựa cây, nước thải và vỏ che nhiên liệu hạt nhân kim loại, cũng như vật liệu bị nhiễm xạ trong việc tháo dỡ lò phản ứng hạt nhân. Chúng có thể được làm đông lại trong bê tông hay xi măng để vứt bỏ. Thông thường, chất thải ngắn ngày (chủ yếu là các chất không phải nhiên liệu từ lò phản ứng) thường được chôn ở gần mặt đất, còn chất thải tuổi thọ cao hơn (từ nhiên liệu và xử lý nhiên liệu) được để ở kho địa chất. Luật pháp Hoa Kỳ không định nghĩa loại chất thải này, cụm từ này chỉ được dùng ở châu Âu và những khu vực khác.

Chất thải cấp cao

Chất thải cấp cao (HLW) được sản sinh ra từ lò phản ứng. Định nghĩa chính xác của chất thải cấp cao không thống nhất trên toàn thế giới. Sau khi một thanh nhiên liệu hoàn tất một chu trình nhiên liệu và được lấy ra khỏi lõi, nó được xem là chất thải cấp cao.[35] Thanh nhiên liệu có chứa sản phẩm phân hạch và các nguyên tố siêu urani được tạo ra trong lõi lò phản ứng. Nhiên liệu đã dùng này có cường độ phóng xạ cao và thường rất nóng, đồng thời chiếm 95 phần trăm tổng lượng phóng xạ tạo ra từ quá trình sản xuất điện hạt nhân. Lượng HLW trên toàn cầu hiện đang tăng khoảng 12.000 tấn mỗi năm, tương đương 100 chiếc xe buýt hai tầng hay một tòa nhà hai tầng với diện tích bằng một sân bóng đá.[36] Một nhà máy điện hạt nhân công suất 1000 MW tạo ra khoảng 27 tấn nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng (không được tái xử lý) mỗi năm.[37] Năm 2010, có xấp xỉ 250.000 tấn HLW,[38] không tính lượng chất thải rò rỉ ra môi trường do tai nạn hay thử nghiệm. Nhật Bản ước tính có 17.000 tấn HLW được lưu giữ năm 2015.[39] HLW đã được vận chuyển sang những nước khác để chứa hoặc xử lý, và trong một số trường hợp, được mang về làm nhiên liệu mới.

Chất thải phóng xạ từ thanh nhiên liệu đã dùng chủ yếu chứa Xêsi-137 và stronti-90, nhưng cũng có khả năng chứa plutoni, có thể coi là chất thải siêu urani.[32] Chu kỳ bán rã của những nguyên tố phóng xạ này có thể chênh lệch rất lớn. Một số nguyên tố, như Xêsi-137 và stronti-90, có chu kỳ bán rã khoảng 30 năm. Trong khi đó, chu kỳ bán rã của plutoni có thể dài đến 24.000 năm.[32]

Tranh cãi xung quang việc quản lý chất thải cấp cao đã hạn chế sự phát triển của năng lượng hạt nhân trên toàn cầu.[40] Hầu hết các nhà khoa học đồng ý[41] rằng giải pháp lâu dài tốt nhất là chôn sâu địa chất, dưới mỏ hoặc lỗ khoan. Tuy nhiên, gần sáu thập kỷ kể từ khi năng lượng hạt nhân trong thương mại xuất hiện, chưa một chính phủ nào làm được một hầm chôn chất thải dân sự hạt nhân cấp cao,[40] tuy rằng Phần Lan đã hoàn thành một phần việc xây dựng cơ sở như thế, kho nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng Onkalo. Dù việc tái xử lý hay tái chế năng lượng hạt nhân đã qua sử dùng khả thi và đang được nghiên cứu, nó vẫn thải ra chất phóng xạ và không phải là một giải pháp trọn vẹn, nhưng vẫn có thể giảm lượng chất thải một cách đáng kể và hiện có nhiều dự án như thế trên toàn cầu. Chôn sâu địa chất hiện vẫn là cách duy nhất để xử lý trọn vẹn chất thải hạt nhân cấp cao.[42] Chiến dịch Morris hiện là điểm lưu trữ chất thải phóng xạ cấp cao duy nhất ở Hoa Kỳ.

Chất thải siêu urani

Chất thải siêu urani (CTSU) là một phân loại chất thải được dùng ở Hoa Kỳ. Luật pháp Mỹ định nghĩa CTSU là chất thải có chứa hạt nhân siêu urani phóng xạ hạt alpha với chu kỳ bán rã dài hơn 20 năm và độ đậm đặc lớn hơn 100 nCi/g (3.7 MBq/kg), không bao gồm chất thải cấp cao. Các nguyên tố với số hiệu nguyên tử lớn hơn urani được gọi là nguyên tố siêu urani. Vì chu kỳ bán rã của chúng rất dài, CTSU được xử lý cẩn thận hơn so với chất thải cấp thấp hay trung bình. Tại Mỹ, nó có nguồn gốc chủ yếu từ việc sản xuất vũ khí hạt nhân, bao gồm quần áo, dụng cụ, giẻ lau, chất cặn, mảnh vụn và những vật khác chứa một lượng nhỏ chất phóng xạ (chủ yếu là plutoni).

Theo quy định, chất thải siêu urani được phân thành "xử lý gần" (CH) và "xử lý từ xa" (RH) dựa trên cường độ liều lượng phóng xạ đo trên bề mặt vật chứa chất thải. CTSU CH có lượng phóng xạ bề mặt không quá 200 mrem trên giờ (2 mSv/h), trong khi với CTSU RH con số này trên 200 mrem/h (2 mSv/h). Mỹ hiện vứt bỏ CTSU do các cơ sở quân sự tạo ra tại Nhà máy Thí điểm Cô lập Chất thải (WIPP) ở New Mexico.[43] Các nước khác không phân loại chất thải này mà dùng biến thể của hệ thống chất thải theo cấp.