不溶のイオン結合化合物を含む固体を電解質溶液に触れさせるときに、固体内のイオンと溶液中のイオンとが入れ代わる現象をいう。陽イオン交換と陰イオン交換の二通りある。この現象を利用すると、電解質中に存在する有用物質の捕捉や不要物質の除去が可能である。原子力の分野でイオン交換反応は、原子炉冷却水中の放射性物質（イオン）の分離・除去、放射性廃棄物からの同位体の分離、使用済核燃料再処理施設における分離・精製、ウランの採鉱などに用いられている。放射性廃棄物の地下埋設・処分において、イオン交換反応は、人工的な施設（人工バリア）から漏れてくるかもしれないイオン（放射性物質を含む）の移動を、その周囲の岩盤・土壌が阻止する能力（天然バリア）の一つとして、期待されるものである。