基本介紹
簡介,化學性質,物理性質,同位素及其半衰期,核性質,發現簡史,鈾的化合物,鈾的合金,鈾的賦存及資源,鈾的礦物,分布範圍,提取冶金,安全防護,發展趨勢,鈾原子核裂變,235U裂變,238U裂變,鈾濃縮,濃縮鈾簡介,鈾濃縮技術,鈾濃縮方法,氣體擴散法,氣體離心法,其他幾種方法,鈾的用途,鈾核反應堆,核子彈,
簡介
自然產生的最重的金屬。呈銀白色，具有硬度強、密度高、可延展、有放射性等特徵。一般在鈾與氧、氧化物或矽酸鹽的結合中發現鈾。鈾原子能發生裂變反應，釋放大量能量從而可以套用於發電，核武器製造等領域。第二次世界大中盟軍的核武器計畫引發對鈾的需求，鈾的生產應運而生。到20世紀70年代，鈾的生產工業已穩固地建立起來。
化學性質
鈾是Ⅲb族錒系放射性化學元素，符號U，原子序數92，相對原子質量238.03，是原子序數和相對原子質量最大的天然元素。鈾在常溫下是銀白色的緻密金屬，鈾的新切面呈發亮的鋼灰色，但在室溫空氣中逐漸生成黑色氧化膜。
鈾原子的外電子層構型為〔Rn〕5f36d17s2，5f36d17s2殼層為價電子。鈾有+3、+4、+5、+6四種價態，以+4和+6價態為主。
鈾是正電性很強的活潑元素，與幾乎所有非金屬元素（惰性氣體除外）反應生成化合物，常以U3+、U4+、UO2+和UO22+離子形式存在。鈾與氫在523K時發生可逆反應， 生成UH3。鈾-氧系比較複雜，在UO2～UO3間存在多種相，重要的氧化物有UO2、U3O8和UO3。其中UO2是當前套用最廣泛的核燃料。鈾與鹵素生成核燃料製備工藝中重要的化合物。如UF4是生產金屬鈾和UF6的中間產物。UF6的三相點為337K，是氣態鈾同位素分離的原料。碳化鈾、氮化鈾和矽化鈾都是性能優越的被認為有希望的核燃料。
金屬鈾在空氣中會變暗，可為蒸汽和酸腐蝕，但耐鹼腐蝕。其原子半徑為138.5pm；U3+、U4+、U5+、U6+的離子半徑分別為103、97、89及80pm。鈾的電負性據鮑林（Pauling）測定為1.38；阿爾勒德（Allred） 和羅切夫 （Rochow） 測定為1.22。
鈾能與大多數非金屬元素及其化合物發生反應，反應的溫度和反應速度隨鈾的粒度而異。鈾在室溫的空氣或氧氣中能自燃，細粒鈾在水中亦能自燃。在一定條件下，鈾氧化放出的能量可引起爆炸。鈾粉塵的爆炸濃度下限為55mg/dm3。鈾能與許多金屬反應生成金屬間化合物。鈾可與鈮、鉿、鋯、鉬及鈦生成固溶體。
鈾及其化合物均有較大的化學毒性，空氣中可溶性鈾化合物的允許濃度為0.05mg/m3，不溶性鈾化合物的允許濃度為0.25mg/m3，人體對天然鈾的放射性允許劑量，可溶性鈾化合物是7400Bq，不溶性鈾化合物是333Bq。
物理性質
鈾是放射性金屬元素，可作為核反應的燃料。鈾是銀白色金屬，幾乎與鋼一樣硬，密度高（相對密度約18.95），熔點1135℃，沸點4134℃。在核能量發展之前，它被用作製造黃色玻璃。鈾是自然界存在的原子序數最高的元素。1841年E.佩利（1811-1890）離析出金屬鈾，雖然在此之前鈾已在瀝青鈾礦中被認知。它也藏於雲母鈾礦、釩鉀鈾礦和獨居石中；主要分布於加拿大、澳大利亞、南非。可通過氣體擴散技術從易揮發氣體六氟化鈾（UF6）中分離各同位素鈾。
鈾存在三種同素異形體，其存在溫度和主要結構特徵列於表中。α-U在室溫時的密度為19.02t/m3。α-U和β-U呈明顯的各向異性，如在298～523 K之間，α-U單晶沿a、b、c軸熱膨脹係數分別為αa=+33.24×10-6/K、αb=-6.49×10-6/K、αc=+30.36×10-6/K。γ-U有各向同性結構。無序排列的多晶鈾在293～373 K範圍的熱膨脹係數等於16.3×10-6/K。在5～350K之間的比熱為27.66J/（mol·K）。α-U的熱導率隨溫度提高而增加，室溫下為25.1W/（m·K），1033K時為37.7W/（m·K）。
鈾的力學性質隨試樣爐號和熱處理的不同而異。對α軋制α退火的試樣，得到室溫最大屈服強度為206.8-275.8 MPa，對小變形量擠壓鈾，室溫抗拉強度極限為586.1～861.8MPa。鈾有三種晶格結構： α-U為斜方結構，a=284.785pm，b=585.801pm，c=494.553pm；β-U為正方結構，a=1076.0pm，c=565.2pm；γ-U為體心立方結構，a=352.4pm。它們的轉換溫度為941K（α→β）和1047K （β→γ）。
鈾的同素異形體 | α-U | β-U | γ-U | |
存在溫度範圍 （K） | <941 | 941-1048 | 1048（熔點） | |
晶體結構 | 斜方 | 四方 | 體心立方 | |
晶胞中原子數 （個） | 4 | 30 | 2 | |
晶格常數 （nm） | a0 | 0. 28541 | 1. 0579 | 0. 3524 |
b0 | 0. 58692 | - | - | |
c0 | 0. 49563 | 0. 5656 | - | |
鈾的重要物理性質列於下表。
性 質 | 數 據 |
熔點T/K 沸點T/K 熔化熱Q/kJ·mol-1 氣化熱Q/kJ·mol-1 密度ρ/kg·m-3 熱導率λ/W·m-1·K-1 電阻率ρ/Ω·m 摩爾體積Vm/cm3 線脹係數αl/K-1 | 1405.5 4018 15.5 417.1 18950（293K），17907（熔點液體） 27.6（300K） 30.8×10-8（273K） 12.56 12.6×10-6 |
同位素及其半衰期
天然鈾含有三種同位素：238U、235U和234U，它們的含量分別為99.28%（238U）、0.71%（235U）和0.006%（234U），半衰期分別為（238U）4.51×109、（235U）7.09×108和（234U）2.35×105年。其中以235U為最重要，是目前核動力的燃料。一個235U核吸收一個熱中子發生裂變時放出約2.5箇中子，並釋放出207MeV能量。1 kg235U核裂變放出的能量相當於燃燒2700t煤所產生的能量。根據反應堆堆型及其工作條件，核燃料可採用天然鈾或提高了U含量的富集鈾。用氣體擴散法、離心法或雷射法等分離鈾同位素，可使U的富集度達到90%以上。U俘獲中子後轉變成易裂變的Pu（鈽）。Pu和U也是製造核武器的主要原料。
在25km地殼內含1014t鈾，其中海水含1010t，每噸海水平均含鈾3.3mg。自然界存在幾百種含鈾的礦物，但大多是貧礦，所以經濟地大量開採很困難。目前，經濟上有開採價值的鈾礦含U3O8量為0.1%左右。如果發展快中子增殖堆，則鈾資源利用率可比壓水堆提高60～70倍。
鈾同位素中存量最多的是238U，再者是可用作核能發電的燃料的235U，豐度最少的是234U。此外還有12種人工同位素。
| 同位素 | 豐度 | 半衰期 | 衰變模式 | 衰變能量（MeV） | 衰變產物 |
|---|---|---|---|---|---|
232U | 人造 | 68.9年 | 自發分裂 | - | - |
α衰變 | 5.414 | Th-228 | |||
233U | 人造 | 159200年 | 自發分裂 | 197.93 | - |
α衰變 | 4.909 | Th-229 | |||
234U | 0.006% | 245500年 | 自發分裂 | 197.78 | - |
α衰變 | 4.859 | Th-230 | |||
235U | 0.72% | 7.038×10^8年 | 自發分裂 | 202.48 | - |
α衰變 | 4.679 | Th-231 | |||
236U | 人造 | 2.342×10^7年 | 自發分裂 | 201.82 | - |
α衰變 | 4.572 | Th-232 | |||
237U | 人造 | 6.75日 | β衰變 | 0.519 | Np-237 |
238U | 99.275% | 4.468×10^9年 | 自發分裂 | 205.87 | - |
α衰變 | 4.270 | Th-234 |
核性質
鈾的熱中子吸收截面為7.60b±0.07b。鈾的同位素（包括同核異能素）有15種，其質量數從227至240。鈾的天然同位素組成列於下表。
核 素 | 相對原子質量 | 自然豐度/% | 半衰期T1/2/a | 衰變模式及衰變能 α/MeV |
234U 235U 238U | 234.0409 235.0439 238.0508 | 0.005 0.720 99.275 | 2.47×105 7.00×108 4.51×109 | α（4.856）；γ α（4.681）；SF； γ α（4.268）；SF；γ |
235U為錒鈾衰變系的始祖核素，238U為鈾鐳系的始祖核素，234U是238U的衰變系產物 。235U是惟一天然的可裂變核素。235U核素受熱中子轟擊，吸收一個中子後發生裂變（誘發裂變）。一個235U核在裂變時放出的總能量為195MeV，同時放出2～3（平均2.5）箇中子。只要其中一個中子引起另一個235U核發生裂變，鏈式核裂變就會持續進行下去。238U不是裂變核素，但238U在反應堆活性區吸收中子後生成239U，239U再經兩次β衰變生成能裂變的Pu。因此，可以利用快中子增殖堆充分發揮238U的作用，提高天然鈾的利用率。
發現簡史
鈾（yóu）英文名Uranium，得名於天王星的名字“Uranus”。1789年M.H.克拉普羅特（Martin Heinrich Klaproth）首先從瀝青鈾礦中發現了“鈾”，就用1781年新發現的一個行星——天王星命名它為uranium，元素符號定為U。但1841年E.M.佩利若（Eugene-Melchior Peligot）證明該物質系二氧化鈾，隨後用鉀還原UCl4製備了金屬鈾。1896年A.H.貝可勒爾（Antoine Henri Becquerel）發現了鈾的放射性現象。那時對鈾的研究屬純理論性的，鈾化合物只用於玻璃和陶瓷的著色。1898年在鈾礦中發現了鐳，鈾便成為開採鐳的副產品。1938年O.哈恩（Otto Hahn）和F.施特拉斯曼（Fritz Strassmann）用中子轟擊鈾核發現核裂變同時釋放出能量，引起了人們重新對鈾的重視。第二次世界大戰期間和戰後，由於核武器和核動力的需要，加速了鈾資源的勘探和開採。
美國為此設立了專門研究核子彈的機構。1945年美國在日本廣島投擲了第一顆239Pu核子彈，幾天后又在日本長崎投下了一顆235U核子彈。1954年蘇聯建成了第一座核電站。從此，鈾的科研和生產受到世界各國的高度重視，核武器製造和核發電工業便得到迅速發展。中國的鈾工業自20世紀50年代興起，已形成完整的和具有相當規模的科研和工業生產體系。
鈾的化合物
鈾有多種化合物，主要鈾化合物的化學式、存在形態和用途列於下表。
名稱 | 化學式 | 存在形態 | 用 途 |
二氧化鈾 | UO2 | 深褐色或黑色粉末 | 製造反應堆元件或 生產UF4 |
三氧化鈾 | UO3 | 無定形UO3或α-UO3，褐色，β-UO3橙色粉末，γ-UO3 亮黃色，δ-UO3紅色，Σ-UO3磚紅色，η-UO3棕色 | 還原成UO2 |
八氧化三鈾 四氟化鈾 六氟化鈾 | U3O8 UF4 UF6 | 橄欖綠色（有時呈墨綠或黑色）粉末翠綠色晶體（綠鹽） 室溫下近於白色固體，在309K溫度升華，最易揮發的鈾化合物 | 儲存、還原成UO2製取金屬鈾或UF6 同位素分離，濃縮 235U |
硝酸鈾醯 | UO2（NO3）2 | UO2（NO3）2·6H2O亮黃色晶體 | 脫硝成UO3 |
重鈾酸銨 | （NH4）·2U2O7 | 黃色沉澱物（俗稱“黃餅”）質量好的呈片狀結晶 | 熱分解成UO2或 UO3 |
三碳酸鈾醯銨 | （NH4）·4UO2（CO3）3 | 淡黃色晶體 | 熱分解成UO2 |
鈾的合金
鈾能與多種金屬生成金屬間化合物。鈾具有化學性質活潑、各向異性結構和機械性能較差等缺陷。鈾合金的某些性質優於金屬鈾，這在核燃料元件製造中相當重要。添加適量的其他金屬，如鈮、鉻、鉬或鋯能改善鈾的熱導率、晶體結構及金相結構、熱處理特性、輻照穩定性和耐蝕性等。
貧鈾彈即利用貧鈾合金製造的一種高效燃燒穿甲彈，它藉助貧鈾材料密度大（鉛密度的2倍）、強度大（鋼強度的3倍）和穿透力強，且易燃燒的特點製作而成，貧鈾合金含238U、235U等，貧鈾彈爆炸後殘留的235U等能損害腎臟、神經系統，可導致肺癌等。密度、硬度較大的貧鈾合金，還可製作防輻射材料等。
鈾的賦存及資源
鈾廣泛存在於地殼和海水中。海水中鈾的濃度為3×10-7%，地殼豐度為2.3×10-4%，但在地殼中很分散。
鈾的礦物
鈾礦物按成因可分為原生鈾礦和次生鈾礦兩大類。除瀝青鈾礦外，原生鈾礦均存在於偉晶岩中，原生礦物經風化和熱液作用易轉變成各種次生礦物。鈾礦的成因、產狀、含鈾量及伴生礦物和圍岩均會影響到鈾礦的加工工藝。已發現的鈾礦物和含鈾礦物約有500多種。其中常見並具有工業實用價值的僅二三十種。下表所列為重要的鈾礦物。
類型 | 礦物名稱 | 組 成 | 鈾含量（質量分數ω）/% |
原 生 鈾 礦 | 瀝青鈾礦 晶質鈾礦鈦鈾礦 | UO2·mUO3·nPbO （U，Th）O2·mUO3·nPbO （U，Ce，Fe，Y，Th）3Ti5O16 | 40～76 65～75.4 < 40 |
次 生 鈾 礦 | 水（瀝青）鈾礦 | UO2·mUO3·nH2O | |
銅鈾雲母 鈣鈾雲母 鉀釩鈾礦 釩鈣鈾礦 | Cu（UO2）2（PO4）2·（8～12）H2O Ca（UO2）2（PO4）2·（8～12）H2O K2（UO2）2（VO4）2·（1～3）H2O Ca（UO2）2（VO4）2·8H2O | 50 50 50 50～60 |
除澳大利亞、加拿大有一些較大的富鈾礦床（含鈾1%～10%）外，大多數鈾礦的含鈾品位為0.1%～0.2%。鈾水冶廠大多直接處理鈾原礦，但通過選礦能提高礦石品位，降低成本。一些國家正採用放射分選機對塊狀鈾礦石進行選礦。為了綜合利用或改善鈾礦石加工性能，有的礦石還需經配礦、焙燒等預處理。
此外，含鈾的磷酸鹽礦、褐煤、頁岩、鈾礦水、含鈾銅廢石堆浸液和海水等都可成為提鈾的原料。例如，1988年美國從濕法磷酸等副產品中回收的鈾達1500t，約占其總產量5190t鈾的29%。
分布範圍
鈾通常被人們認為是一種稀有金屬，儘管鈾在地殼中的含量很高，比汞、鉍、銀要多得多，但由於提取鈾的難度較大，所以它注定了要比汞這些元素髮現的晚得多。儘管鈾在地殼中分布廣泛，但是只有瀝青鈾礦和鉀釩鈾礦兩種常見的礦床。
銅鈾雲母
銅鈾雲母
綠鈾礦鈾及其一系列衰變子體的放射性是存在鈾的最好標誌。人的肉眼雖然看不見放射性，但是藉助於專門的儀器卻可以方便地把它探測出來。因此，鈾礦資源的普查和勘探幾乎都利用了鈾具有放射性這一特點：若發現某個地區岩石、土壤、水、甚至植物內放射性特彆強，就說明那個地區可能有鈾礦存在。
提取冶金
鈾的提取冶金具有三個特點。第一，鈾礦石的品位很低，一般含鈾（238U+235U） 0.1%～0.2%，而其中235U僅為0.0007%～0.0014%，為獲得核純鈾，必須經過一系列富集、提純過程。第二，核純金屬鈾需再經同位素分離，製成不同豐度的濃縮235U。第三，工藝過程繁雜，並存在輻射危害問題。因此，鈾生產技術難度大，安全防護要求嚴格。
除了就地浸出以及從其他含鈾物料提鈾外，鈾的提取冶金都是從鈾礦石（原礦或精礦）開始的，通常包括鈾提取、四氟化鈾製取、金屬鈾製取、六氟化鈾製取、鈾同位素分離、製取含濃縮U的金屬鈾和鈾燃料元件加工等主要步驟。
（1）鈾提取。包括鈾礦石的浸出、液固分離、富集、提純（常用離子交換或溶劑萃取法）及沉澱產物熱分解製取核純UO2或U3O8。
（2）四氟化鈾製取。將UO2（U3O8可用氫還原成UO2）氫氟化成四氟化鈾（綠鹽）。
（3）金屬鈾製取。用金屬鈣或鎂將UF4還原成金屬鈾，金屬鈾再經精煉、澆鑄、加工、鍛造（或擠壓）成形、包殼等處理製成天然鈾的反應堆元件，供生產裂變元素239Pu用。
（4）六氟化鈾製取。將UF4氟化成UF6。
（5）鈾同位素分離。利用235U與238U質量之間的微小差異，通過對UF6的氣體擴散（或離心分離），製取不同豐度的濃縮235UF6。
（6）製取含濃縮235U的金屬鈾。將濃縮235UF6經氫還原成235UF4，再轉化成濃縮235UO2。用鈣或鎂還原235UF4製成含濃縮U的金屬鈾。
（7）鈾燃料元件加工。將濃縮UO2或金屬鈾進一步加工製成反應堆燃料元件或其他最終產品。
安全防護
鈾及其化合物既會放出危害生物的射線，又有化學毒性，在生產過程中必須採取安全防護措施。安全防護措施的主要內容包括嚴防粉塵及氡氣進入人體；使生產場地的輻射劑量低於放射性衛生防護規定的限值；排放的三廢經處理後必須達到國家規定的排放標準。要注意濃縮鈾產物臨界安全。
發展趨勢
利用低品位鈾礦石及其他含鈾物料以擴大鈾資源。重視鈾的就地浸出、堆浸、細菌浸出等浸出方法的開發和推廣套用，以節省能耗和降低生產成本。開發並推廣套用快中子增殖堆，提高天然鈾的利用率。研究開發無廢物工藝，減輕鈾對環境的污染。發展節能的離心法、雷射法等同位素分離方法，替代耗能高的擴散法。
鈾原子核裂變
自然界裡234U不會發生核裂變，通常，238U也不會發生裂變，只有235U易發生核裂變，核燃料主要指235U。235U半衰期為7.038×108年，從235U開始，經過11次連續衰變，最後出現穩定的207Pb。238U半衰期為4.468×109年，從238U開始，經過14次連續衰變，最後出現穩定的206Pb-206。238U連續衰變中，子核半衰期最長的是234U，它的半衰期是2.45×105年。
235U、233U和239Pu是主要的核裂變物質，可直接做核燃料，它們能大量獲得、並易吸收慢中子（能量小於1eV）並發生裂變，234U、238U則不行。235U存在於天然鈾中，233U和239Pu要靠鈾核反應堆生產。235U、233U 和239Pu，任何能量的中子均可使它們分裂、釋放能量；對235U來說，速度越慢的中子越易引起裂變。238U吸收一個中子，也可轉變為裂變物質。
235U和238U都能自發裂變，但後者自發裂變的幾率很小。
235U裂變
研究表明，235U吸收慢中子後，有40多種裂變方式，至少能生產36種元素的300多種核素和快中子（平均2.5 個），並釋放巨大能量。鈾核裂變生成物除中子外，通常有兩種（兩分裂）裂變物，還有三種（三分裂）和四種裂變物（1946 年，我國物理學家錢三強等在法國發現），“三分裂”幾率極小。除中子外，鈾核“兩分裂”的碎塊有許多組合方式，碎塊質量比大致為3：2的發生幾率最大，碎塊質量相同的機會極小；鈾“三分裂”，其中一塊是α粒子，“三分裂”發生的幾率是“二分裂”的3/1000。統計表明，235U裂變發射的中子能量（動能）在 0.1-20MeV範圍，平均為2MeV。僅有快中子不能使天然鈾產生持續的裂變鏈式反應，慢中子也不能使238U發生裂變，持續的裂變反應在238U中不可能發生。235U和240Pu等，除中子可引發其核裂變外，具有足夠能量的帶電粒子或 γ 射線等也能引發裂變。此外，鈾對約25eV的中子還會產生俘獲共振，即俘獲而不裂變。
235U結合能小，核裂變勢壘較低，任何能量的中子都能使它裂變，且對慢中子（中子速率為2.2×103m/s，與常溫下氣體分子運動速率相當。這樣，它在鈾核附近的時間相對較長，容易擊中鈾核使之裂變）有很大的裂變截面（裂變幾率大）。235U吸收一個慢中子，通常先形成激發態的236U（覆核），然後裂變成兩塊，同時釋放中子和能量等。熱中子（慢中子的一種）反應堆里，235U熱中子裂變截面比238U的熱中子裂變截面要大200 倍，這樣，就會有足夠數量的中子引起235U核裂變，這可彌補天然鈾或濃縮鈾中235U含量較少之弱點；這種反應堆工作時，鈾的利用率為1%-2%。
238U裂變
238U（240Pu、232Th）裂變是有閥的，小於1.1MeV的中子會被其吸收或散射，不能引發裂變；較大能量的中子才能使它們裂變，但可能性又極小。238U結合能較大，裂變勢壘較高，能量超過1.4MeV的快中子才能使它裂變，釋放的中子能量較大。研究顯示，238U在幾MeV以上有很多共振吸收峰，其裂變幾率隨中子能量增大而增大。238U不易產生裂變，但吸收中子後能變成239Pu和233U等較好的核裂變物質。熱中子被238U俘獲的幾率是熱中子使235U裂變幾率的1/190左右。快中子同238U核的主要作用是非彈性碰撞，大部分中子都是通過非彈性碰撞降低能量，再在多次碰撞中被238U核吸收。
鈾濃縮
濃縮鈾簡介
鈾材料里235U的含量高於 0.7%即濃縮鈾。鈾是重要的核燃料和核子彈核心材料，現在使用的鈾材料都需提煉、濃縮，使之達到一定的純度。比如，製造一顆核子彈至少需 20-50 千克的高濃縮鈾（也可用鈽造核子彈），其濃縮純度應達到 90%以上。
鈾礦石里235U的含量很低，絕大部分是238U，鈾礦石不能像煤塊那樣直接做燃料，它類似於大部分是泥沙的煤餅，沒法燃燒。鈾元素同位素的豐度（一元素的同位素混合物里，某同位素的原子數和總的原子數之比） 可通過工藝處理使之增大，以獲得該元素濃縮的某種同位素，如235U，235U與238U物理性質稍有不同，主要是相對質量不同，這導致它們形成的化合物微粒質量會有點差異。利用鈾天然同位素原子量不同進行分離，可使鈾材料中235U對238U的比值較天然鈾高，從而獲得裂變材料——濃縮鈾。“濃縮”主指提高某元素特定同位素豐度的同位素分離過程，如由天然鈾生產濃縮鈾或由普通水生產重水等。
濃縮鈾同位素目的即提高235U相對於238U等的相對豐度（濃度），使天然235U的相對含量高於0.7%的鈾，即濃縮鈾，鈾燃料中235U的含量達到3%以上才有可能持續“燃燒”；濃縮鈾有：3%、3.5%、20%濃縮鈾等品種。許多核反應堆和核武器中所用的鈾，必須對其濃縮，即須提高易核裂變的235U濃度，然後將其製成燃料。大多核電廠核反應堆用的鈾燃料235U濃度約在3%左右、不超過5%。核武器里的鈾材料235U濃度需在90%以上；核艦船所用的鈾燃料為20%或更低濃度的鈾。國際原子能機構界定：235U豐度為3%的鈾材料屬核電站用低濃縮鈾（工業級核燃料），常是鈾鹽或氧化鈾；豐度大於80%的鈾材料為高濃縮鈾，豐度大於90%的則是武器級（軍用）高濃縮鈾，主要用於製造核武器；另一種劃分是：高濃縮鈾（豐度在 20%以上），低濃縮鈾（2%- 20%，商用濃縮鈾）、微濃縮鈾（0.9%- 2%）和武器級濃縮鈾（90%以上）。鈾濃縮濃度達到20%是一節點與難關，由此再提高鈾濃縮度則是一相對容易實現的過程。
獲得鈾材料需經過一系列複雜的工藝，要經過探礦、開礦、選礦、浸礦、煉礦、精煉等流程，分離、濃縮是主要和較難的流程，科技含量高。鈾礦石經碾磨、分選後得到的較純淨鈾礦產品，即鈾精礦，又叫“黃餅”，主成分是八氧化三鈾和重鈾酸鈉、重鈾酸銨，它是核燃料生產過程中的一種中間產品。通常，獲得1千克武器級235U需要200多噸較高品位的鈾礦石。
不論是和平利用核能，還是製造核能武器，濃縮鈾都是必需的。至2006年11月，世界上運行或在建的470座商業核電反應堆大多是以濃縮鈾為燃料；到2010年，全球至少已有1600噸高濃縮鈾（還有500 噸鈽），我國是世界上第四個（美、英、蘇後） 獨立掌握濃縮鈾生產技術的國家；20世紀60年代前期，我國先後建立了衡陽鈾水冶廠和蘭州氣體擴散廠，獲得了濃縮鈾（1958年5月，蘭州始建我國首座鈾濃縮生產企業，它先後為我國的第一顆核子彈、第一顆氫彈、第一艘核潛艇和第一座核電站，提供了優質核燃料）。2011年，哈佛大學甘迺迪學院下屬貝爾福爾中心的研究報告說，中國擁有軍用級鈾16噸、鈽1.8噸。
鈾濃縮技術
因涉及核武器問題，鈾濃縮技術一直是國際社會嚴禁擴散的敏感技術，國際原子能機構與聯合國希望能控制各國鈾濃縮活動。中國台灣曾有核計畫。1985年起，羅馬尼亞秘密的從事武器級濃縮鈾提煉工作；1991年，羅馬尼亞政府同樣將其核設備、核研究置於國際原子能機構監管之下；2003年，美國、俄羅斯將其十幾千克、濃度達 80%的濃縮鈾運到俄羅斯予以處理。利比亞違反國際承諾，秘密獲得鈾濃縮技術以發展核武器，2003年“伊拉克戰爭”後，該國向西方妥協將有關設備、圖紙交給了美國、英國。
除幾個核大國外，日本、德國、印度、以色列、巴基斯坦、阿根廷、朝鮮（2011年1月，聯合國安理會“對朝制裁委員會”專家組擬訂了《朝鮮鈾濃縮計畫報告》，以期防止核擴散、核競賽升級）、伊朗（2011年6月12日，伊朗常駐國際原子能機構代表蘇丹尼耶在第二屆核裁軍國際會議期間對新華社記者說，伊朗已生產出逾50公斤純度為20%的濃縮鈾，伊朗的目標是有120公斤這種核材料）等國都掌握了鈾濃縮技術。
鈾濃縮方法
提純、濃縮235U的技術較複雜，鈾元素的各種同位素，如同“孿生姐妹”，物理性質與化學性質十分相似。利用同位素在物理、化學性質上的微小差異，通過擴散、蒸發或化學交換等方法與過程，可使鈾元素同位素的比例發生變化。用同位素分離法處理天然鈾，可增加鈾235U的濃度，使天然鈾里235U的相對含量高於0.7%，進而獲得供多種需要的不同濃度的鈾材料。工業規模分離鈾同位素的技術（適用於提高U-235 濃度）有氣體擴散法、氣體離心法、離子交換法以及蒸餾法、電解法、電流法、液體熱擴散法、電磁分離法和雷射分離法等。這些濃縮方法，工藝過程都複雜，投資大、耗能高、且產量低，即生產鈾燃料成本較大。
氣體擴散法
這是最早、最成熟的濃縮方法，也是商業開發的第一種濃縮方法，它據分子滲透、擴散原理，利用不同質量鈾同位素轉化為氣態時運動速率的不同而進行分離。UF6是一種劇毒、腐蝕性強和有放射性的白色晶體，加熱後升華為氣體。由於238U、235U的質量數不同，所以UF6氣體中二者的分子質量也不同，UF6里235U的質量數是349、238U的質量數是352。當高壓UF6混合氣體（鈾同位素的混合氣體）透過級聯安裝的多孔薄膜時，UF6中U-235輕分子氣體會比UF6中238U重分子的氣體更快地通過多孔膜。通過膜管的氣體立即被泵送到下一級，留在膜管中的氣體則返回到較低級再循環。在每一個氣體擴散級中235U與238U濃度比僅略有增加，如此分離、濃縮到工業級235U濃度則需1000級以上。
該技術的核心是多孔擴散分離膜（蘇聯曾叫它是“社會主義陣營安全的心臟”），我國於1964年研製出優質的分離膜元件（時稱甲種分離膜，該技術獲1984 年國家發明一等獎）。分離膜是每平方分米有數百萬個超微細孔的多孔薄金屬板或薄膜，將這些薄膜（板）捲成管子並裝在密封的擴散器里，當UF6氣體加壓送到由這些管子組成的級聯裝置中，混合氣體便會逐漸被分離，含235U多的濃縮UF6氣體沿著級聯裝置向前流動，含238U多的稀薄 UF6氣體則因流動滯後而落下、分流了。該方法擴散、濃縮過程需要幾千個連續的級聯裝置，連續擴散可將UF6混合氣體裡含238U的分子與含235U的分子分離，再用化學方法處理已濃縮的UF6-235U氣體分子，進而獲得235U。這種方法鈾濃縮的效率不高、能耗大。
氣體離心法
1919年，德國科學家G．瑞皮完成了氣體離心機的基本設計。鈾濃縮離心機概念和套用則是20世紀 30-40年代由美囯維吉尼亞大學的高速離心機專家J．W．伯莫斯提出的。1934年，伯莫斯成功地分離了兩種氯同位素；1941年，他和同事利用離心機首次成功地分離了鈾同位素。分離共設計了3種離心機，其工作曾引起美國當時正實施的“曼哈頓計畫”（研製核子彈的計畫）領導人的注意，但美國最終選擇了氣體擴散法。
氣體離心法也適用於處理鈾的混合液體或鈾蒸汽，它使用獨特設計的離心機使氣體或液體能不間斷地在各個離心機中流動，可連續運轉加工鈾氣流或鈾液體流。當前，濃縮鈾常用這種機械式分離法。此法中，真空高速離心機是關鍵設備，國際上常把有無該設備作為判斷一個國家是否進行核武器研究的標誌。與氣體擴散法相比，氣體離心法工效較高、所需電能大幅減少，所以該法已被大多的濃縮鈾工廠採用。
將高壓UF6氣體注入高速轉動的封閉式離心機里，由於質量存在差異，長時間旋轉依靠慣性離心力，較輕的UF6中235U分子大多集中在容器轉軸處，較重的UF6-238U分子則大多結集在邊緣。若沿軸向從外部導入氣流，並使轉軸處的這股氣體向上流動，邊緣處外部導入的氣體向下流動。如此，離心機下方收集的是較重的UF6-238U氣體，上方則是需要的、較輕的UF6-235U氣體。在近軸處富集的UF6-235U氣體被導出，再輸送到下一台離心機繼續分離——逐漸累積、純化、濃縮。隨著較輕的UF6-235U氣體穿過一系列高速離心機，其235U同位素分子富集度會越來越大。最後，利用化學法處理已收集的、較輕的UF6-235U氣體，就可獲得工業或軍用級濃縮鈾。
通常，氣體離心機廠需要幾千台高速真空離心機連續、長期地工作才能得到武器級濃縮鈾等（2010年下半年，因外界攻擊，伊朗納坦茲鈾濃縮工廠至少有1/5的離心機因感染“震網”病毒被迫關閉；2011年2月末，國際原子能機構的報告說，該廠現有低純度濃縮鈾約3600公斤）。
其他幾種方法
（1）雷射分離法
氣體離心法濃縮成本較高、效率也不理想，先進的濃縮法是雷射分離法。利用雷射濃縮鈾，能降低生產成本。其原理基於雷射有極好的單色性和原子核的同位素光譜位移等。各同位素原子核的中子數不同，它們的能級會發生同位素位移，發出的輻波長會有小差異。雷射的單色性好，這樣能做到用和某同位素原子核的輻射波長相同的雷射去激發其中的某種原子，而不會把其他同位素原子一起激發，即用雷射可單獨地把同位素原子團中的某同位素原子先電離；再用電場將電離的原子從同位素混合物中單獨分離出來，將這些原子激發到高能級；最後利用高能級的原子和基態的原子參加化學反應的活力不同，通過化學反應法便可把它分離，聚集後就獲得了所需的同位素原子。
雷射分離法濃縮235U，比其他方法優越，設備可大大簡化，成本可大幅降低。據估計，該法生產投資約是氣體擴散法的1/2，生產過程耗能只有氣體擴散法的1/10左右。所以，多個國家已重視開發這種鈾燃料生產技術。1977年美國開始研究用雷射提純濃縮鈾，並證實此法的可行性等；1982年美國能源部確定，今後美國使用雷射分離法生產鈾燃料。此法利用238U、235U形成的化合物化學鍵的鍵能不同，利用雷射單一頻率的性質可有選擇的使一種鈾化合物的化學鍵斷裂達到分離效果。
雷射分離技術現有雷射原子法和激分子法：
1）原子法濃縮用的原料是提煉鈾礦後的鈾塊，再把鈾塊加熱到高溫，形成鈾原子蒸氣，鈾蒸氣里含有234U、235U、238U原子。然後用可見光波段的雷射（如用銅蒸氣雷射泵浦的染料雷射器）照射鈾原子蒸氣，調諧雷射器的輸出波長，讓它落在235U的原子吸收譜線中心，使235U原子電離，但不激發或電離238U原子等。然後，利用電場對通過收集板的235U原子掃描、分離，如此235U原子就從鈾同位素混合氣體裡中分出來了。這種技術較成熟，已處於生產套用階段。
2）分子法濃縮法則依靠鈾同位素吸收光譜上存在差異，它用的原料是鈾的分子化合物（如 UF6），先用中紅外波段的雷射（如波長16微米的雷射）照射UF6混合氣體分子，雷射波長正好是讓235U化合物分子電離，235U分子吸收了這些光子，能態會提高；再用紫外線雷射器分解UF6混合氣體分子，便可從中分離出235U，最後讓含235U化合物通過分解反應，就可得到235U。理論上它能生產出很純的235U等，但此法還未達到生產階段；從發展潛力看，分子法則比原子法優越。分子法濃縮用的原料是鈾的分子化合物，原料來源較豐富，且分離過程不需加熱；原子法濃縮則需加熱到2000多℃，高溫鈾蒸氣有很強的腐蝕性。相對而言，分子雷射法生產設備較簡單，成本較低。
分子雷射法只能用於濃縮UF6，不適於純化、濃縮金屬鈽（製造核子彈等更好的核材料）的化合物；原子雷射法既能濃縮金屬鈾，也能濃縮金屬鈽。可見，分子雷射法比原子雷射法在防核擴散方面會有利一些。
（2）氣體動力學法
該技術將UF6氣體與氫或氦的混合氣體經過壓縮高速通過一個噴嘴，然後穿過一個特定的曲面，這樣便可獲得從鈾的混合氣體中分離235U同位素的離心力。氣體動力學分離法為實現濃縮純度所需的級聯比氣體擴散法少，但它需大量的電能。UF6與氫的混合氣體在離心機中的渦流板上高速離心旋轉後，UF6氣體濃縮流和UF6氣體貧化流分別由兩條管道流出；處理收集的已經多次分離的UF6氣體濃縮流，最後可得到濃縮鈾。
（3）電磁分離法
鈾同位素電磁分離濃縮技術，基於電離的原子在磁場作圓周運動時，質量不同的離子因旋轉半徑不同而被分離。它是使鈾同位素原子離子同時穿過電磁體的磁場，由於235U圓周運動半徑與235U不同而被分離。這是20 世紀40年代初使用的技術，伊拉克20世紀80年代的實驗研究表明，該技術與當代電子學結合能生產武器級鈾材料。
（4）離子交換法
鈾的幾種同位素在質量上的微小差異，能引起化學反應平衡的小的變化，這可用來作同位素分離的基礎。該方法有兩種工藝過程：液——液化學交換過程和固——液離子交換過程，後者須用直徑大於 1 米離子交換柱，這是一耐腐蝕、耐高壓的圓筒狀柱。1964年10月，我國爆炸的第一顆核子彈就是用此法濃縮的235U製造而成的。當時，以放射化學家楊承宗（1951年6月，他獲得巴黎大學理學院博士學位，其答辯通過的博士論文就是《離子交換法分離放射性元素的研究》）為首的我國科研人員，在通州“五所”（鈾濃縮研究所）利用離子交換法純化處理了上百噸各種土法冶煉生產的重鈾酸銨。經過兩年多的奮戰，他們生產出了2.5 噸符合核子彈原料要求的純鈾化合物，提前3個月為我國成功試爆核子彈提供了核心物質。
鈾的用途
1942年前鈾主要用作玻璃和陶瓷的著色劑，用量很少。隨著235U鏈式核裂變反應的被發現，核裂變釋放的巨大能量 （1kg235U釋放的裂變能相當於1800tTNT炸藥）引起人們的注意，首先用於製造核子彈、氫彈。
鈾核反應堆
從50年代後期開始，鈾被越來越多地用作核發電的核燃料。1kg235U核完全裂變所釋放的能量相當於燃燒2700t優質煤所放出的能量。
此外，鈾核反應堆也可用作輻照源，用於農業輻照育種、食品工業食品保鮮和滅菌，也可用於生產人造元素。在醫藥方面用於放射治療、放射免疫藥盒、造影診斷等，在工業和地質等方面用於工業探傷、自動控制、地質勘探和文物考古等。
科學研究及工業實踐證明，鈾是惟一的一次天然核燃料，核能工業必須依靠鈾。由於核能工業具有和平和軍事套用兩種目的，因此鈾便成為一種特殊商品金屬，其生產受到政治、社會和經濟多種因素的影響。20世紀40～50年代，鈾主要用於核武器，50年代以後主要用於核發電。世界鈾的產量長期供過於需，有大量庫存。國際市場每公斤U3O8的價格從1978年初的97美元降至1990年的19.84美元。西方國家鈾年產量亦由1980年的43960t降至1985年的35278t。但在這段時期內，核電站發展迅速，1980年裝機總容量為1.35億kW，1989年增至3.18億kW。1985年鈾的年產量低於核發電的需要量。
核子彈
把常規炸藥有規律地安放在鈾的周圍，然後使用電子雷管使這些炸藥精確的同時爆炸，產生的巨大壓力將鈾壓到一起，並被壓縮，達到臨界條件，發生爆炸。或者將兩塊總質量超過臨界質量的鈾塊合到一起，也會發生猛烈的爆炸。臨界質量是指維持核子連鎖反應所需的裂變材料質量。不同的可裂變材料，受核子的性質（如裂變橫切面）、物理性質、物料形狀、純度、是否被中子反射物料包圍、是否有中子吸收物料等等因素影響，而會有不同的臨界質量。剛好可能以產生連鎖反應的組合，稱為已達臨界點。比這樣更多質量的組合，核反應的速率會以指數增長，稱為超臨界。如果組合能夠在沒有延遲放出中子之下進行連鎖反應，這種臨界被稱為即發臨界，是超臨界的一種。即發臨界組合會產生核爆炸。如果組合比臨界點小，裂變會隨時間減少，稱之為次臨界。核子武器在引爆以前必須維持在次臨界。以鈾核彈為例，可以把鈾分成數大塊，每塊質量維持在臨界以下。引爆時把鈾塊迅速結合。投擲在廣島的“小男孩”核子彈是把一小塊的鈾透過槍管射向另一大塊鈾上，造成足夠的質量。這種設計稱為“槍式”。
核子彈蘑菇雲
核子彈蘑菇雲