客体要件
本罪侵犯的客体是公共安全和国家的核材料管理制度。核材料是一种用来在原子反应堆中进行核聚变，同时产生原子能的放射性物质，其本身具有放射性，极易对人体造成损害。核材料一旦落入犯罪分子之手并用于违法犯罪活动，后果将不堪设想。我国目前也已经出现了非法买卖、运输核材料的犯罪。因此，为了维护公共安全，国家必须对核材料的买卖、运输实行统一管理。任何单位和个人买卖、运输核材料都必须遵守国家有关核材料买卖、运输的规定，国家禁止任何单位和个人非法买卖、运输核材料。凡违反国家有关核材料买卖、运输的规定，擅自买卖、运输核材料，危害公共安全的，都必须运用刑法武器予以严惩。
本罪的犯罪对象是核材料。根据《核材料实物保护公约》的规定，核材料是指除钚一238同位素含量超过80%者以外的钚；同位素235或233浓缩的铀；非矿石或矿渣形式的含天然存在的同位素混合物的铀；任何含有上述一种或多种成份的材料。此外，根据《中华人民共和国核材料管制条例》第2条的规定，国家管制的核材料有：铀一235，含铀一235的材料和制品；铀一233，含铀一233：的材料和制品；钎一239，含钉一239的材料与制品；氚，含氚的取料和制品；锂一6，含锂一6的材料与制品；其他需要管制的核材料。同时，核材料也是核燃料、核燃料产物和核聚变材料的通称。其中，核燃料是指含有易袭变核素，可以通过自持核袭变链式反应产生能量的材料，它们是金属或化合物形式的钚和铀，含有易袭变核素铀一325、铀一233、钚一239；核燃料产物是指核燃料的演变物；核聚变材料是指锂一6、氚等主要用于核聚变的专用材料。
客观要件
本罪在客观方面表现为非法买卖、运输、储存核材料的行为。非法买卖核材料是指违反国家对核材料的管制规定，未经国关都门批准，以金钱或者实物作价，擅自购买或销售核材料。非法买卖核材料具体有三种情况：一是没有经过国家有关门的批准而擅自购买或销售核材料，二是超出国家有关部门批准的种类而购买或销售核材料；三是超出国家有关部门批准的数量购买或销售核材料。买卖包括购买与销售两种行为，行为人只要实施了购买与销售两种行为之一的，即为非法买卖核材料，并不要求行为人既实施了非法购买行为，又实施了非法销售行为，才成立非法买卖核材料。非法买卖核材料，既有以金钱为交换条件的非法买卖，也有以实物为交换条件的买卖；既有个人之间的非法买卖，也有单位之间的非法买卖；还有单位与个人之间的非法买卖。如果明知是走私进口的核材料而直接向走私人购买，或者明知是走私人购买核材料进行走私出口而卖给走私人核材料，或者在内海、领海收购、贩卖核材料，没有合法证明的，则不构成本罪，应以走私核材料罪论处。
所谓非法运输核材料是指未经国家有关部门批准，擅自将核材料从此地运往彼地，使核材料在空间上发生转移的行为。从运输形式来看，有陆运、水运、空运等。由于核材料是一种放射性物质，因而对核材料的运输有严格的技术要求，故一般不可能采取肩挑背扛、随身携带的方式非法运输核材料。从运输的空间范围来看，必须是在我国境内非法运输，不包括非法运输上述物品出人国（边）境的行为。为走私而违反我国的对外贸易管制，逃避海关监管或边防检查，非法运输核材料进出国（边）境的，则构成走私核材料罪。非法买卖、运输核材料是选择性罪名，行为人只要实施了非法买卖、运输行为之一的，即构成本罪。如果行为人同时实施了这两种行为，也只构成一罪，而不实行数罪并罚。
主体要件
本罪主体为一般主体，即达到法定刑事责任年龄、具有刑事责任能力的自然人都可以构成。根据本条第3款的规定，单位也可成为本罪主体。单位非法从事买卖、运输核材料的活动，其主管人员和直接责任人员，应按本罪论处。
主观要件
本罪主观方面表现为故意犯罪，即明知是核材料而非法买卖、运输，其动机则可能多种多样，有的为了营利，有的为了实施其他犯罪。不同的动机一般不影响定罪。
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