L’uranium enrichi est de l’uranium avec un pourcentage élevé d’isotope U-235, qui ne représente qu’environ 72% de l’uranium naturel. L’uranium normal est appelé U-238, où le nombre signifie la quantité de nucléons (protons et neutrons) dans son noyau atomique. L’U-235 a une quantité inégale de protons et de neutrons, ce qui le rend légèrement instable et sensible à la fission (séparation) des neutrons thermiques. Faire en sorte que le processus de fission se déroule comme une réaction en chaîne est la base de l’énergie nucléaire et des armes nucléaires.
Parce que l’U-235 a des propriétés chimiques identiques à l’uranium normal et n’est que 1.26 % plus léger, séparer les deux peut être tout un défi. Les procédés sont généralement très énergivores et coûteux, c’est pourquoi seuls quelques pays ont été en mesure d’y parvenir à une échelle industrielle jusqu’à présent. Pour fabriquer de l’uranium de qualité réacteur, des pourcentages d’U-235 de 3 à 4 % sont nécessaires, tandis que l’uranium de qualité militaire doit être composé à 90 % d’U-235 ou plus. Il existe au moins neuf techniques de séparation de l’uranium, bien que certaines fonctionnent certainement mieux que d’autres.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, aux États-Unis, lorsque les chercheurs ont commencé à rechercher la séparation isotopique, une série de techniques ont été utilisées. La première étape consistait en une diffusion thermique. En introduisant un mince gradient de température, les scientifiques pourraient attirer des particules d’U-235 plus légères vers une région de chaleur et des molécules d’U-238 plus lourdes vers une région plus froide. C’était juste la préparation de la matière première pour l’étape suivante, la séparation électromagnétique des isotopes.
La séparation électromagnétique des isotopes consiste à vaporiser l’uranium puis à l’ioniser pour produire des ions de charge positive. L’uranium ionisé a ensuite été accéléré à courbure par un fort champ magnétique. Les atomes d’U-235 plus légers ont été légèrement plus déviés, tandis que les atomes d’U-238 ont un peu moins été déviés. En répétant ce processus plusieurs fois, l’uranium pourrait être enrichi. Cette technique a été utilisée pour fabriquer une partie de l’uranium enrichi pour la bombe Little Boy, qui a détruit Hiroshima.
Pendant la guerre froide, la séparation électromagnétique des isotopes a été abandonnée au profit de la technique d’enrichissement par diffusion gazeuse. Cette approche a poussé l’hexafluorure d’uranium gazeux à travers une membrane semi-perméable, qui séparait légèrement les deux isotopes l’un de l’autre. Comme la technique antérieure, ce processus aurait dû être effectué plusieurs fois pour isoler une quantité substantielle d’U-235.
Les techniques d’enrichissement modernes utilisent des centrifugeuses. Les atomes d’U-235 plus légers ont légèrement poussé préférentiellement vers les parois extérieures des centrifugeuses, les concentrant là où ils peuvent être extraits. Comme toutes les autres techniques, elle doit être effectuée plusieurs fois pour fonctionner. Les systèmes complets qui purifient l’uranium de cette manière utilisent de nombreuses centrifugeuses et sont appelés cascades de centrifugeuses. La centrifugeuse Zippe est une variante plus avancée de la centrifugeuse traditionnelle qui utilise la chaleur ainsi que la force centrifuge pour séparer l’isotope.
D’autres techniques de séparation de l’uranium comprennent des processus aérodynamiques, diverses méthodes de séparation au laser, une séparation par plasma et une technique chimique, qui tire parti d’une très légère différence dans la propension des deux isotopes à changer de valence dans les réactions d’oxydation/réduction.