L’uranio arricchito è l’uranio con un’alta percentuale dell’isotopo U-235, che costituisce solo circa lo 72% dell’uranio naturale. L’uranio normale è indicato come U-238, dove il numero indica la quantità di nucleoni (protoni e neutroni) nel suo nucleo atomico. L’U-235 ha una quantità non uniforme di protoni e neutroni, che lo rende leggermente instabile e suscettibile alla fissione (scissione) da neutroni termici. Far sì che il processo di fissione proceda come una reazione a catena è la base dell’energia nucleare e delle armi nucleari.
Poiché l’U-235 ha proprietà chimiche identiche all’uranio normale ed è solo l’1.26% più leggero, separare i due può essere una vera sfida. I processi sono generalmente piuttosto energivori e costosi, motivo per cui solo pochi paesi sono stati in grado di realizzarli su scala industriale finora. Per produrre uranio per reattori, sono necessarie percentuali di U-235 del 3-4%, mentre l’uranio per uso militare deve essere costituito dal 90% di U-235 o più. Esistono almeno nove tecniche per la separazione dell’uranio, anche se alcune funzionano decisamente meglio di altre.
Durante la seconda guerra mondiale, negli Stati Uniti, quando i ricercatori stavano perseguendo la separazione degli isotopi, sono state utilizzate una serie di tecniche. La prima fase consisteva nella diffusione termica. Introducendo un sottile gradiente di temperatura, gli scienziati potrebbero indurre le particelle di U-235 più leggere verso una regione di calore e le molecole di U-238 più pesanti verso una regione più fredda. Questa era solo la preparazione del mangime per la fase successiva, la separazione degli isotopi elettromagnetici.
La separazione elettromagnetica degli isotopi comporta la vaporizzazione dell’uranio e la successiva ionizzazione per produrre ioni con carica positiva. L’uranio ionizzato è stato poi accelerato piegato da un forte campo magnetico. Gli atomi di U-235 più leggeri sono stati deviati leggermente di più, mentre gli atomi di U-238 leggermente di meno. Ripetendo questo processo molte volte, l’uranio potrebbe essere arricchito. Questa tecnica è stata utilizzata per produrre parte dell’uranio arricchito per la bomba Little Boy, che distrusse Hiroshima.
Durante la Guerra Fredda, la separazione degli isotopi elettromagnetici fu abbandonata a favore della tecnica dell’arricchimento per diffusione gassosa. Questo approccio spingeva il gas esafluoruro di uranio attraverso una membrana semipermeabile, che separava leggermente i due isotopi l’uno dall’altro. Come la tecnica precedente, questo processo avrebbe dovuto essere eseguito molte volte per isolare una quantità sostanziale di U-235.
Le moderne tecniche di arricchimento utilizzano le centrifughe. Gli atomi di U-235 più leggeri spingono leggermente preferenzialmente verso le pareti esterne delle centrifughe, concentrandoli dove possono essere estratti. Come tutte le altre tecniche, deve essere eseguita molte volte per funzionare. I sistemi completi che purificano l’uranio in questo modo utilizzano molte centrifughe e sono chiamati cascate di centrifughe. La centrifuga Zippe è una variante più avanzata della centrifuga tradizionale che utilizza il calore e la forza centrifuga per separare l’isotopo.
Altre tecniche di separazione dell’uranio includono processi aerodinamici, vari metodi di separazione laser, separazione al plasma e una tecnica chimica, che sfrutta una minima differenza nella propensione dei due isotopi a cambiare valenza nelle reazioni di ossidazione/riduzione.