Transmutation ist (neben der T. der Arten) die Umwandlung eines chemischen Elements in ein anderes in radioaktiven Zerfällen – viel diskutiert als Möglichkeit, mit speziellen Techniken und Verfahren des Atommülls Herr zu werden. Radioaktiver Abfall könnte nämlich „entschärft“ werden, wenn durch bestimmte Kernreaktionen die langlebigen Bestandteile in kürzerlebige verwandelt werden können. In manchen der Konzepte soll auch Plutonium mit umgewandelt werden, obwohl Plutonium auch in Form von Uran-Plutonium-MOX-Brennstoff in Kernkraftwerken genutzt werden kann. Bestimmte Konzepte sehen zusätzlich die Transmutation langlebiger Spaltprodukte vor.
Vor der Transmutation müssen bei den meisten Verfahren zunächst die zu bearbeitenden Anteile vom abgebrannten Reaktorbrennstoff abgetrennt werden. Für diese Partitionierung müssen chemische Verfahren entwickelt werden, die über die existierenden Wiederaufarbeitungsverfahren, hinausgehen. Erforscht werden neben hydrometallurgischen auch pyrometallurgische Verfahren, etwa elektrochemische Prozesse in einer Salzschmelze. Schnelle Brutreaktoren können nach gewissen Modifikationen zur Transmutation genutzt werden. Beispiel eines solchen Projekts ist ASTRID (Advanced Sodium Technological Reactor for Industrial Demonstration), ein in Frankreich geplanter natriumgekühlter 600-Megawatt-Reaktor der IV. Generation. Über den Bau dieses Prototyp-Kernkraftwerks in Marcoule soll 2019 entschieden werden.
Ein allgemeiner Nachteil der Transmutation mit kritischen Reaktoren ist, dass aus neutronenphysikalischen Gründen der Brennstoff meist auch Brutstoff enthalten muss, so dass eine gewisse Menge leicht spaltbares Material neu entsteht.
Zwei Konzepte sind besonders bekannt geworden: das Konzept von Bowman und der Energy amplifier (Energieverstärker) nach Carlo Rubbia. Bowmans Vorschlag ist der technologisch anspruchsvollere und „radikalere“ (mit Transmutation auch der Spaltprodukte). Er hat aber – bis 2013 – nicht zu detaillierten Entwicklungsarbeiten geführt. Rubbias Vorschlag hält sich näher an schon erprobte Technologien.
Die europäische ADS-Demonstrationsanlage MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications) soll im Forschungszentrum Mol in Belgien errichtet werden und etwa 2023 in Betrieb gehen. Eine ADS-Versuchsanlage am Beschleunigerzentrum J-PARC in Japan ist im Bau und soll den Betrieb mit Transmutationsbrennstoff etwa 2020 aufnehmen.