El combustible irradiado, comúnmente conocido como Combustible Gastado, es altamente radiactivo (llamado “CALIENTE”) y no se puede manejar directamente. Hay un breve “período de enfriamiento” de alrededor de 6-12 meses durante el cual el combustible descargado de los reactores se mantiene bajo el agua en una piscina de combustible gastado diseñada exclusivamente para el reactor. Después de este período, unos años más, se deja intacto en un grupo de almacenamiento de combustible gastado más grande.
Después de que los químicos e ingenieros se hagan cargo de las sofisticadas barras de combustible, se realizan múltiples procesos a estas barras de combustible gastadas (aún muy calientes), para extraer elementos útiles de ellas. Muchos de los procedimientos se realizan en cámaras blindadas especiales llamadas Hotcells y tecnologías de control remoto (maestro-esclavo). [fuente de la imagen: wikipedia]. Con el paso de reprocesamiento, implementamos lo que se llama un ciclo cerrado de combustible .
* Uranio reprocesado (RepU) que forma aprox. El 95% del combustible gastado se recupera por completo. Se ‘purifica’ y se envía para su reutilización como combustible en el reactor, después del enriquecimiento (según algunas fuentes, de este 95%, el 1% es fisionable U-235).
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* El plutonio, aproximadamente el 1% de la masa química total del combustible gastado, se recupera y se utiliza para fabricar combustible de óxido mixto de los reactores. (¡También se puede usar para armas nucleares! Es por eso que muchas personas creen que el reprocesamiento es importante para reducir las posibilidades de proliferación en el futuro).
* Los desechos que forman alrededor del 4% del combustible gastado total, inevitablemente deben ser (vitrificados y) empaquetados en forma apropiada y enterrados para su almacenamiento a largo plazo. Pero, como ve con el reprocesamiento, la carga neta de residuos que se almacenará a largo plazo se reduce al 4%. Altamente económico!
La Hague (planta de procesamiento dirigida por Areva) es un centro de alta capacidad en Francia para la gestión del combustible gastado. Puedes ver la piscina azul de combustible gastado aquí. 
Fuente: Reuters
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Para las otras dos preguntas, no tengo demasiadas cosas en mi memoria. De hecho, sobre el procesamiento de agua pesada, no puedo decir nada. Sin embargo, escribiré (con información de la web) lo que recuerdo sobre la química del reactor nuclear.
La química del reactor es un campo altamente involucrado, y los químicos tienen una gran demanda en la industria. Y debido a que el tema está tan enfocado, no a todos los ingenieros nucleares se les enseñaría mucho sobre química. Pero este tema comienza desde la etapa de extracción de uranio hasta la etapa final de almacenamiento a largo plazo de residuos de alto nivel (HLW). El entorno del reactor es rico en radiación, por lo que entra en juego la química de la radiación. El estado químico del interior de un reactor o su combustible es extremadamente adverso y necesita enormes esfuerzos para controlarlo.
* Front End of Fuel Cycle es el conjunto de procesos involucrados en hacer que el combustible esté listo para su uso en el reactor. Comienza con la extracción y extracción de uranio (que aporta la química del uranio) para obtener tortas amarillas. [fuente de la imagen: sitio web de New Mexico Tech] 
El uranio altamente concentrado se somete a un procedimiento de refinación, conversión y enriquecimiento . El enriquecimiento es un proceso altamente sofisticado y muchas veces la receta exacta es un secreto de la industria. Cuando el combustible está listo, debe prepararse en pastillas de combustible, luego en barras y luego se ensamblarán varias barras en elementos de combustible. Estas etapas también involucran químicos para la correcta selección y procesamiento de materiales.
* La química de la operación del reactor también es importante. El componente más importante del reactor que requiere cuidado de los químicos es el refrigerante . El refrigerante en un reactor típico está a alta temperatura, alta presión y puede ser muy perjudicial si no se maneja adecuadamente. Por lo general, el agua se usa en LWR, pero no es agua normal. Además de otras cosas, esta agua puede tener Boro mezclado para controlar la reactividad, y eso cambia muchas cosas. Puede conducir a tipos rápidos y diferentes de corrosión de la estructura del reactor, que generalmente están hechos de metales y aleaciones. (por ejemplo, leer sobre CRUD). Además, esta agua es radiactiva y la lleva consigo ya que el refrigerante necesita fluir a través de los componentes. Si (por ejemplo, en el caso de los reactores rápidos) uno usa refrigerantes más complicados como el sodio, entonces la química está mucho más involucrada y los sistemas deben ser más sofisticados. La química también se requiere en el diseño de barras de control de la rectitud.
* Durante años de uso en el reactor, la composición química del combustible cambia mucho. En el Back End of Fuel Cycle , el reprocesamiento del combustible gastado (sobre el que escribí) también es un proceso químico. Requiere múltiples pasos (p. Ej. PUREX) y tecnología química intensa para realizar económicamente este paso y cerrar el ciclo. Posteriormente también, el estudio de los desechos, la eliminación (o transmutación) de desechos de alto nivel, etc., son realizados por químicos experimentados.
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