基本介紹
- 中文名：鈾
- 外文名：Uranium
- CAS登錄號：7440-61-1
- EINECS登錄號：231-170-6
- 熔點：1132.5 ℃
- 沸點：4131 ℃
- 水溶性：微溶於水
- 密度：19.05 g/cm(α-U)
- 外觀：銀白色金屬
- 套用：核燃料
- 安全性描述：26-36/37/39-45-61-20/21
- 危險性符號：T+
- 危險性描述：20-34-53-33-26/28
- 原子序數：92
- 發現人：克拉普羅特
- 元素類別：錒系元素
- 電子排布：[Rn] 5f 6d 7s
- 價態：+3，+4，+5，+6
- 原子量：238.02891
簡介,研究簡史,物理性質,化學性質,同位素及半衰期,核性質,鈾原子核的裂變,相關化合物,分布情況,製備方法,鈾的提取冶金,鈾的濃縮,氣體擴散法,氣體離心法,其他幾種方法,套用領域,安全事宜,法律規範和法規,
簡介
鈾（Uranium）處於元素周期表第七周期，是最為常見的錒系元素之一。其原子序數為92，也是天然存在的最重元素。自然界中的鈾通常以三種同位素的形式存在：U-238（自然豐度99.275%，原子量238.0508，半衰期4.51×10a），U-235（自然豐度0.720%，原子量235.0439，半衰期7.00×10a），和微量的U-234（自然豐度0.005%，原子量234.0409，半衰期2.47×10a）。其中U是惟一天然可裂變核素，受熱中子轟擊時吸收一個中子後發生裂變，放出總能量為195 MeV，同時放2~3箇中子，引發鏈式核裂變；U是製取核燃料鈽的原料。由於鈾-235用於核反應堆和核武器中的裂變，天然鈾必須採用同位素分離法濃縮鈾-235。濃縮的副產品稱為“貧化鈾”，含有少於1/3的鈾-235和鈾-234。鈾在地殼中平均含量為 2.5×10，總埋藏量雖然比金、銀、汞、鎢、鉬、銻、鉍等還要多，但是，鈾在地下的埋藏十分分散，被稱作“分散元素”。
研究簡史
人類最初使用天然含鈾化合物的歷史可以追溯到公元79年，當時它被用作陶瓷釉料中的黃色著色劑。在中世紀晚期，瀝青鈾礦是從銀礦中提取出來的，並被用作玻璃製造業的著色劑。這些鈾礦物和玻璃在紫外線的照射下能發出強烈的綠色螢光。
直到1789年，鈾元素才被德國化學家馬丁·克拉普羅特首次發現。他在柏林實驗室中將瀝青鈾礦溶解在硝酸中，接著通過氫氧化鈉中和沉澱法得到一種黃色化合物（可能為重鈾酸鈉），再將其與碳進行混合加熱，最終得到一些黑色鈾的氧化物粉末，並以1781年發現的天王星（Uranus）來命名此種新元素，即Uranium。
事實上鈾的金屬單質直到1841年才由巴黎中央工藝學校分析化學教授尤金·梅爾希奧·皮里哥通過將四氯化鈾和鉀一同加熱分離得到。然而，當時的人們並沒有認識到鈾的放射性。
1896年，法國物理學家亨利·貝可勒爾首次發現了鈾具有天然放射性衰變的性質，即鈾在衰變的時候會釋放出α粒子（鈾的幾個常見同位素衰變時主要釋放的是自由程極短的阿爾法粒子α，並不是危險的伽馬射線γ）。與此同時，鈾的放射性的發現也促進了它在更多的科學及生活中的套用。例如，利用U-238和U-235極長的半衰期可估算和測定出地球的年齡大約在45.4億年；通過觀察C31082-001恆星中U-238的光譜，可推算出宇宙的年齡大約為125億年。
1938年聖誕節前夕，德國科學家奧托·哈恩及其助手斯特拉斯曼首次宣布發現了鈾的核裂變現象（鈾的衰變放射性並無直接關係）。這一發現徹底改變了鈾的命運，同時對人類社會產生了深遠的影響。自此以後，鈾從默默無聞華麗地轉變為顯著影響著當今政治、軍事、能源、環境等各大領域的戰略性資源。
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U核子彈，幾天后又在日本長崎投下了一顆Pu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 。
2023年4月，日本和韓國科學家合成了一種以前未知的鈾同位素——鈾-241。其原子序數為92，質量為241，半衰期可能只有40分鐘，這是自1979年以來科學家首次發現富含中子的鈾同位素。
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，常見的α-U密度約19.05g·cm，熔點1135℃，沸點4134℃。鈾原子半徑為138.5pm；U、U、U、U的離子半徑分別為103、97、89及80 pm。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/m。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/K、αb = -6.49×10/K、αc = +30.36×10/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 /K。在5～350K之間的比熱為27.66 J/(mol·K)。α-U的熱導率隨溫度提高而增加，室溫下為25.1W/(m·K)，1033 K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206.8-275.8MPa，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） 。a-U是各向異性的，在加熱時向兩個方向膨脹，而在第三個方向收縮。β-U同樣也是各向異性的。唯有γ-U是各向同性的。鈾不是良導體，與鐵相仿。當溫度低於0.68K時具有超導性；鈾的熱導率隨溫度的升高而逐漸增加。金屬鈾有延展性，但加工時，又有硬化傾向，在α-鈾的溫度范內進行熱處理，可消除加工硬化現象。其機械性能與純度有關，如金屬鈾中含氫為0.3-5ppm時，它就會變脆。鈾屬於一種軟金屬，當它接受中子照射時，會發生畸變和腫脹。將鈾製成鈾合金，或者在燃料元件外層使用高強度的包殼，可使這種蠕變效應和腫脹程度減到最小。
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 | 1405.5 |
沸點T/K | 4018 |
熔化熱Q/kJ·mol | 15.5 |
氣化熱Q/kJ·mol | 417.1 |
密度ρ/kg·m | 18950（293K），17907（熔點液體） |
熱導率λ/W·m·K | 27.6（300K） |
電阻率ρ/Ω·m | 30.8×10（273K） |
摩爾體積Vm/cm | 12.56 |
線脹係數αl/K | 12.6×10 |
化學性質
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 。金屬鈾在空氣中會變暗，可被蒸汽和酸腐蝕，但耐鹼腐蝕。粉末狀的鈾在空氣中能自燃，甚至有時在水中也能自燃。鈾在溶解時被氧化成不同氧化態（III、IV或VI）的鈾鹽。鈾能溶於HNO3，形成硝酸鈾醯，溶於鹽酸生成三氯化鈾UCl3（副產物為黑色的羥基氫化物HO-UH-OH，此殘留物與H2O2作用可生成過氧化物而溶解）：
在沒有氧化劑時鈾與硫酸和高氯酸都不作用。鈾通常不與鹼作用，但在鹼中加人H2O2則鈾能溶解並生成過鈾酸鹽。
鈾原子的外電子層構型為[Rn]5f6d7s，5f6d7s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U、U、UO和UO2離子形式存在。
鈾與沸水反應生成氫氣，與高溫水蒸氣反應時生成的氫氣將進一步與金屬鈾作用，並且鈾與氫在250℃時發生可逆反應生成UH3：
在反應堆中，為避免鈾與水起反應，燃料元件通常採用鋁、鋯或不鏽鋼包殼。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5.5×10 mg/cm。
鈾能與許多金屬，例如鈮、鉿、鋯、鉬及鈦，生成固溶體 。
同位素及半衰期
天然鈾含有三種同位素：U、U和U，它們的含量分別為99.28%（U）、0.71%（U）和0.006%（U），半衰期分別為（U）4.51×10、（U）7.09×10和（U）2.35×10年。其中以U為最重要，是核動力的燃料。一個U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195 MeV能量
1 kgU核裂變放出的能量相當於燃燒2700噸煤所產生的能量 。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。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U，再者是可用作核能發電的燃料的U，豐度最少的是U。此外還有12種人工同位素。
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，其中有三種天然同位素，其餘為人工合成，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 |
U U U | 234.0409 235.0439 238.0508 | 0.005 0.720 99.275 | 2.47×10 7.00×10 4.51×10 | α（4.856）；γ α（4.681）；SF； γ α（4.268）；SF；γ |
U為錒鈾衰變系的始祖核素，U為鈾鐳系的始祖核素，U是U的衰變系產物 。U是惟一天然的可裂變核素。U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U核在裂變時放出的總能量為195 MeV，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U核發生裂變，鏈式核裂變就會持續進行下去。U不是裂變核素，但U在反應堆活性區吸收中子後生成U，U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U的作用，提高天然鈾的利用率 。
鈾原子核的裂變
自然界裡U不會發生核裂變，通常，U也不會發生裂變，只有U易發生核裂變，核燃料主要指U。U半衰期為7.038×10年，從U開始，經過11次連續衰變，最後出現穩定的Pb。U半衰期為4.468×10年，從U開始，經過14次連續衰變，最後產生穩定的Pb。U連續衰變中，核半衰期最長的是U，它的半衰期是2.45×10年 。
U、U和Pu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。U存在於自然界，U和Pu要靠核反應堆生產。U、U 和Pu，任何能量的中子均可使它們分裂、釋放能量；對U來說，速度越慢的中子越易引起裂變。U吸收一個中子，也可轉變為裂變物質 。U和U都能自發裂變，但後者自發裂變的幾率很小。
U-235裂變
研究表明，U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，中國物理學家錢三強等在法國發現），“三分裂”幾率極小。統計表明，U裂變發射的中子能量（動能）在 0.1-20M eV範圍，平均為2M eV。
U結合能小，核裂變勢壘較低，任何能量的中子都能使它裂變，其中熱中子（慢中子的一種）反應堆里，U熱中子裂變截面比U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U核裂變，這可彌補天然鈾或濃縮鈾中U含量較少之弱點；這種反應堆工作時，鈾的利用率為1%-2% 。
U-238裂變
U（Pu、Th）裂變是有閥的，小於1.1 MeV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。U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，U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。U不易產生裂變，但吸收中子後能變成Pu和U等較好的核裂變物質。熱中子被U俘獲的幾率是熱中子使U裂變幾率的1/190左右。快中子同U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U核吸收 。
相關化合物
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 |
UO2 | 深褐色或黑色粉末 | 製造反應堆元件或 | |
生產UF4 | |||
UO3 | 無定形UO3或α-UO3，褐色，β-UO3橙色粉末，γ-UO3 | 還原成UO2 | |
亮黃色，δ-UO3紅色，Σ-UO3磚紅色，η-UO3棕色 | |||
U3O8 | 橄欖綠色（有時呈墨綠或黑色）粉末翠綠色晶體（綠鹽） | 儲存、還原成UO2製取金屬鈾或UF6 | |
UF4 | 室溫下近於白色固體，在309K溫度升華，最易揮發的鈾化合物 | 同位素分離，濃縮 | |
UF6 | 235U | ||
UO2(NO3)2 | UO2(NO3)2·6H2O亮黃色晶體 | 脫硝成UO3 | |
(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 | |||
(NH4)4[UO2(CO3)3] | 淡黃色晶體 | 熱分解成UO2 |
分布情況
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）/% |
原生鈾礦 | UO2·mUO3·nPbO | 40～76 | |
晶質鈾礦 | （U,Th）O2·mUO3·nPbO | 65～75.4 | |
鈦鈾礦 | (U,Ce,Fe,Y,Th)3Ti5O16 | ＜40 | |
次生鈾礦 | 水（瀝青）鈾礦 | UO2·mUO3·nH2O | |
Cu(UO2)2(PO4)2·(8～12)H2O | 50 | ||
Ca(UO2)2(PO4)2·(8～12)H2O | 50 | ||
鉀釩鈾礦 | K2(UO2)2(VO4)2·(1～3)H2O | 50 | |
釩鈣鈾礦 | Ca(UO2)2(VO4)2·8H2O | 50～60 |
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1500 t，約占其總產量5190 t鈾的29% 。
各國鈾礦開採情況：
加拿大：薩斯喀徹溫省的阿薩巴斯卡盆地是全球最重要的鈾礦產區之一，擁有多個鈾礦礦，例如 McArthur River、Cigar Lake 和 Key Lake。
澳大利亞：澳大利亞的 Ranger 礦和 Olympic Dam 礦擁有大量鈾礦礦床。 其他著名的採礦地點包括南澳大利亞的貝弗利礦和蜜月礦。
美國總部：美國擁有多個鈾礦，包括新墨西哥州的格蘭茨鈾礦區和懷俄明州的粉河盆地，那裡發現了鈾礦。
納米比亞：納米比亞的 Rössing 和 Husab 礦以其鈾礦礦床而聞名。
哈薩克斯坦：作為全球最大的鈾生產國之一，哈薩克斯坦擁有多個鈾礦開採地點，包括 Inkai 和 Tortkuduk 礦。
尼日：尼日的 Arlit 和 Akouta 礦是鈾礦的重要來源。
製備方法
鈾的提取冶金
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（U+U） 0.1%～0.2%，而其中U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U。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。
（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）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Pu用。
（4）六氟化鈾製取。將UF4氟化成UF6。
（5）鈾同位素分離。利用U與U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UF6。
（6）製取含濃縮U的金屬鈾。將濃縮UF6經氫還原成UF4，再轉化成濃縮UO2。用鈣或鎂還原UF4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。
鈾的濃縮
鈾材料里U的含量高於 0.7%即稱為濃縮鈾。核燃料和核子彈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。
濃縮鈾同位素目的即提高U相對於U等的相對豐度（濃度），使天然U的相對含量高於0.7%的鈾，即濃縮鈾，鈾燃料中U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。國際原子能機構界定：U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 。
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），中國是世界上第四個（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，中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，蘭州始建中國首座鈾濃縮生產企業，它先後為中國的第一顆核子彈、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）。
（1）鈾濃縮技術
工業規模分離鈾同位素的技術（適用於提高U- 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。該技術的核心是多孔擴散分離膜。中國於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。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U的分子與含U的分子分離，再用化學方法處理已濃縮的UF6-U氣體分子，進而獲得U。這種方法鈾濃縮的效率不高、能耗大。
氣體離心法
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。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。
其他幾種方法
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。其原理基於雷射有較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。
雷射分離技術現有雷射原子法和雷射分子法，原子法濃縮技術較成熟，已處於生產套用階段。分子法濃縮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多攝氏度，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。
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U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。
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U圓周運動半徑與U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。
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，中國爆炸的第一顆核子彈就是用此法濃縮的U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》）為首的中國科研人員，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個月為中國成功試爆核子彈提供了核心物質。
套用領域
1942年前鈾主要用作玻璃和陶瓷的著色劑，用量很少。隨著U鏈式核裂變反應的被發現，核裂變釋放的巨大能量 （1kg U釋放的裂變能相當於1800 t TNT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。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。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43960 t降至1985年的35278 t。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
核子彈蘑菇雲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” 。
鈾是核反應堆的主要燃料，必須以安全、可持續的方式妥善管理。最近幾年，全球天然鈾年產量在5.5萬至6.5萬噸金屬鈾之間，與燃料需求基本相當。此外，據研究，也可以用釷作為核燃料的潛在替代來源。
安全事宜
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0.05 mg/m，不溶性鈾化合物的允許濃度為0.25mg/m，人體對天然鈾的放射性允許劑量，可溶性鈾化合物是7400 Bq，不溶性鈾化合物是333 Bq 。
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 。
法律規範和法規
2020年6月9日，生態環境部輻射源安全監管司為規範鈾轉化、鈾濃縮設施的設計、建造、調試、運行，加強鈾轉化、鈾濃縮設施安全管理工作，組織制定核安全導則《鈾轉化和鈾濃縮設施的安全》。2021-05-28，正式發布《鈾轉化和鈾濃縮設施的安全》，進一步完善中國核與輻射安全法規體系。
