分为两类：①铀（U）（或钚）和非金属元素氧（O）、碳（C）、氮（N）、硅（Si）等形成的单一化合物。②铀与钚（Pu）（或铀与钍）的同种化合物组成的互溶物，又称混合物燃料。

与金属燃料相比，氧化物燃料具有熔点高（二氧化铀达3120开）、热和辐照稳定性好、与包壳及冷却剂材料能相容等优点。二氧化铀（UO₂）是已知大多数热中子动力反应堆所使用的核燃料。(U，Pu)O₂和(U，Th)O₂均含有易裂变核素钚-239和铀-235及可转换核素铀-238和钍-232，可作为液体金属冷却快中子增殖堆和新型转换堆的燃料。但氧化物的热导率低，在反应堆运行条件下会产生一系列不利于物理、热工特性的性状。

铀碳（U-C）二元系中有UC、UC₂和U₂C₃共3种化合物，其中在熔点以下稳定的只有UC。UC遇水发生分解，在水冷反应堆中一般不用。UC和PuC有相同的晶体结构，可形成连续固溶体(U，Pu)C。其重原子密度高，轻原子数与重原子数比为1，故中子经济性好，在堆内可转换出更多的易裂变核素。碳化物的热导率比氧化物的高5～8倍，在堆内使用时有较平坦的径向温度梯度，又可获得较高的功率密度，对一定的输出功率，可装载较少的易裂变核素，所以用(U，Pu)C作快中子增殖堆的燃料可以大大缩短加倍时间。

UC或(U，Pu)C粉末的制备可采用电弧熔化法。由铀或铀钚（U-Pu）合金与石墨在电弧炉里直接反应并铸成富碳锭，经粉碎后在1123开的流动氩中脱碳制成。工业上则常用碳热还原法，即将UO₂或(U，Pu)O₂粉末与炭粉混合，在1473～1673开的真空中还原制得。然后将碳化物粉末球磨，加入黏结剂，经压型和高温（2073～2198开）烧结1小时制得97%理论密度的芯块。为了获取化学计量的UC或(U，Pu)C，要严格掌握配料制度，控制反应参数。由于碳化物易与水、空气反应影响成品质量，故操作必须在充惰性气氛的手套箱中进行。碳化物粉末易燃，粉碎时采用三氯乙烯保护。

铀氮（U-N）二元系中有UN、UN₂和U₂N₃共3种化合物。其中只有UN可用作核燃料。UN与UC相比，物理性质和辐照稳定性相近，但与包壳材料的相容性好，化学稳定性差。UN与PuN可形成连续固溶体（U，Pu）N，是快中子增殖堆的理想燃料。

制备氮化物粉末通常是先将铀屑或铀-钚合金屑在523开氢气中生成UH₃，再在673开氩中脱氢制成高分散度的高纯铀粉，然后在纯氮流中加热到1173开生成U₂N₃，最后在1673开氩气中分解成UN。或用碳与UO₂或(U，Pu)O₂粉末在高温下还原成碳化物，再在1723开氮气（或NH₃）中转化为化学计量的UN。炭热还原氮化法制备的U（Pu）N中杂质如碳和氧需要去除。为防止高温下的分解，氮化物的烧结须在1973开高压氩气中进行。全部操作均需有惰性气氛保护。

氮化物的辐照性能与碳化物的基本相同。其差别在于：裂变气体在氮化物中的扩散率比碳化物的低，故在16%菲玛（FIMA，已裂变的原子数与初始装料总的重金属原子数之比）燃耗时，释放率仅为9%；由裂变气体造成明显肿胀的温度高于碳化物，为1523开，且氮化物有较大的高温强度可抑制辐照肿胀；在1273开、18%FIMA燃耗时，氮化物与不锈钢的相容性很好。但天然氮中含99.6%的氮-14对快中子有高的寄生捕获，如用氮-15取代就会增加制造成本。

铀硅（U-Si）二元系含有多种化合物。含铀量最高的是U₃Si，其抗水腐蚀性好，质地软，延性好，在1203开发生包析分解，性质上与铀合金相似，可用作水冷堆燃料。另一个硅化物是U₃Si₂。虽其熔点比碳化物、氮化物的低得多，但密度介于UO₂和UC之间，许多性质与UC相似。可制成板状燃料元件在试验堆中使用。其芯体为弥散体燃料，由铀、硅粉末在水冷模具中直接熔化并铸造，再球磨成粉；与铝粉相混，通过粉末冶金法加工而成。