Nồng độ trong tự nhiên

Urani tự nhiên bao gồm ba đồng vị chính: urani-238 (99,28%), urani-235 (0,71%), và urani 234 (0,0054%). Tất cả ba đồng vị này đều phóng xạ, phát ra các hạt anpha với ngoại lệ là ba đồng vị trên đều có xác suất phân hạch tự nhiên nhỏ hơn là phát xạ anpha.

Urani-238 là đồng vị ổn định nhất của urani, có chu kỳ bán rã khoảng 4,468 tỉ năm, gần bằng tuổi của Trái Đất. Urani-235 có chu kỳ bán rã khoảng 7,13 triệu năm và urani-234 có chu kỳ bán rã khoảng 2,48×105 năm.[66] Đối với urani tự nhiên, khoảng 49% tia anpha được phát ra từ mỗi U-238, 49% tương tự đối với U-234U (do sản phẩm sau được tạo thành từ sản phẩm trước) và khoảng 2% trong số đó do U-235 phát ra. Khi Trái Đất còn trẻ, có thể 1/5 urani của Trái Đất là urani-235, nhưng tỷ lệ U-234 có thể thấp hơn nhiều so với hiện nay.

Urani-238 thường phát hạt α — trừ khi trải qua phân hạch tự nhiên — phân rã theo phân rã hạt nhân urani, với tổng cộng 18 nguyên tố, tất cả chúng cuối cùng đều phân rã thành chì-206 theo nhiều cách phân rã khác nhau.[15]

Chuỗi phân rã phóng xạ của U-235 có 15 nguyên tố, tất cả chúng phân rã đến cuối cùng đều tạo ra chì-207.[15] Các hằng số phân rã trong các chuỗi này có ích để so sánh về các tỉ số của hạt nhân mẹ và hạt nhân con trong việc định tuổi bằng đồng vị phóng xạ.

Urani-234 là nguyên tố trong chuỗi phóng xạ Urani, và phân rã thành chì-206 thông qua một chuỗi phân rã của các đồng vị có thời gian tồn tại tương đối ngắn.

Urani-233 được tạo ra từ thori-232 khi bị bắn phá bằng neutron, thông thường trong các lò phản ứng hạt nhân, và U-233 cũng có thể phân hạch.[9] Chuỗi phân rã của nó kết thúc bằng tali-205.

Urani-235 là một đồng vị quan trọng được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân và trong vũ khí hạt nhân, do nó là đồng vị urani duy nhất tồn tại ở dạng tự nhiên trên Trái Đất có khả năng tự phân hạch tạo ra các sản phẩm phân hạch bằng các neutron nhiệt.[15]

Urani-238 không thể phân hạch nhưng nó là một fertile isotope, bởi vì sau khi kích hoạt neutron nó có thể tạo ra plutoni-239, là một đồng vị có thể phân hạch khác. Do đó, các hạt nhân U-238 có thể hấp thụ một neutron để tạo ra đồng vị phóng xạ urani-239. U-239 phân rã beta tạo ra neptuni-239, đồng vị này cũng phân rã beta, sau đó phân rã thành plutoni-239 chỉ trong vài ngày. Pu-239 được dùng làm vật liệu phân hạch trong quả bom nguyên tử đầu tiên trong vụ thử Trinity ngày 15 tháng 7 năm 1945 ở New Mexico.[17]

Làm giàu

Tách đồng vị là cách thức làm giàu urani-235, loại được dùng trong các vũ khí hạt nhân và trong hầu hết các nhà máy điện hạt nhân, ngoại trừ các lò phản ứng hạt nhân được làm lạnh bằng khí và các lò phản ứng hạt nhân nước nặng được điều áp. Trong các ứng dụng nói trên, việc làm giàu là để cho hầu hết các neutron được giải phóng từ sự phân hạch nguyên tử urani-235 phải ảnh hưởng đến các nguyên tử urani-235 khác để duy trì chuỗi phản ứng hạt nhân. Nồng độ và số lượng urani-235 cần thiết để đạt được yêu cầu này được gọi là khối lượng tới hạn (critical mass).

Khi đề cập đến urani được làm giàu, tỉ lệ urani-235 thường nằm trong khoảng 3% đến 5%.[67] Quá trình làm giàu tạo ra một lượng rất lớn urani nghèo (depleted urani) do đã tách hết urani-235, tức tỉ lệ urani-238 được gia tăng tương ứng. Khi đề cập đến việc làm nghèo urani, tức nồng độ đồng vị urani-235 không quá 0,3%.[68] Giá của urani đã tăng kể từ năm 2001, vì thế các sản phẩm thải ra sau quá trình làm giàu chứa hơn 0,35% urani-235 được xem xét tái làm giàu. Giá của urani hexaforit nghèo vượt trên ngưỡng 130 USD/kg vào thời điểm tháng 7 năm 2007 so với 5 USD vào năm 2001.[68]

Quá trình xử lý ly tâm khí dùng máy ly tâm vận tốc lớn tách khí Urani hexaflorua (UF6) dựa trên sự khác biệt về khối lượng phân tử giữa 235UF6 và 238UF6 là quá trình rẻ nhất và được sử dụng rộng rãi nhất cho việc làm giàu.[16] Quá trình khuếch tán khí từng là phương pháp hàng đầu làm giàu urani và được sử dụng trong dự án Manhattan. Trong quá trình này, urani hexaflorua được khuếch tán một cách riêng biệt thông qua lớp màng bạc-kẽm, và các đồng vị khác nhau của urani được tách ra dựa trên tốc độ khuếch tán (vì urani-238 nặng hơn nên khuếch tán chậm hơn urani-235).[16] Phương pháp tách đồng vị laser phân tử ứng dụng tia laser có năng lượng nhất định để cắt đứt liên kết giữa urani-235 và flo. Quá trinh này làm cho urani-238 liên kết với flo và cho phép kim loại urani-235 kết tủa từ dung dịch.[6] Một phương pháp làm giàu bằng laser khác là tách đồng vị hơi nguyên tử bằng laser (atomic vapor laser isotope separation) và ứng dụng các tia laser điều hưởng được như laser màu nhuộm.[69] Một phương pháp khác được sử dụng là khuếch tán nhiệt chất lỏng.[34]