同位素分离是研究同一元素的不同同位素之间的分离，被分离的同位素应属同一原子序数的同一元素(它是一种物理过程)。同位素分离最常见的应用是使用轻水作慢化剂和冷却剂的商用动力核反应堆。这种反应堆必须使用浓缩铀作为核燃料。铀浓缩这一同位素分离的过程使天然铀中U-235的比例由原来的0.7%增加到了3-5%。铀浓缩之所以能够实现，是依赖于U-235和U-238之间微小的质量差别。如今，商用的铀浓缩工艺采用的原材料是气态的六氟化铀（UF6）。UF6在常温常压下的沸点为56.4℃。因而，我们通常将其以液态或固态的形式保存在高压钢瓶中。
进行同位素分离的两种主要方法分别为扩散法（利用两边压强不同的多孔膜进行气体的扩散分离）和离心法。在这两种方法中，每进行一次处理，都只有很小一部分同位素被分离出来。因而，为了达到想要的同位素的丰度，我们就必须将很多分离机连接起来，组成级联。每一级得到的产品（精料）会被送到下一级作为供料使用。而这一级得到的贫化产物则会被送到上一级进行继续分离。
来源: Urenco
每一级级联装置的分离能力包括流量和浓缩能力，我们通常用分离功(SWU)来定量描述。（对于特定的级联装置，消耗的能量是用kWh/SWU作为单位）与通常的能量单位不同。分离功的常用单位是千克或吨。这是由于铀浓缩的供料和产品的数量是以其质量来衡量的。因而，分离功也采用了这种单位。
举个例子，如果要生产富集度为5%的U-235，当尾料的丰度控制为0.25%时，我们需要提供7.9SWU的分离功。而当尾料丰度降低为0.20%，那么我们提供的分离功就要增加到8.9SWU。这带来的好处是我们可以将所需的原料由原来的10.4kg减少到9.4kg。可以看出，分离功的花费和原料的成本之间存在矛盾，实际生产中，我们要综合考虑二者的影响来提高经济效益。
在当前的铀浓缩技术水平下，一个典型的1000MWe轻水堆核电站每年所需的分离功约为140000SWU。铀浓缩的成本很大程度上取决于所花费的电能。气体扩散法的用电成本为2500kWh/SWU；而离心法仅仅只需要50 kWh/SWU。
气体扩散法
传统的气体扩散法是依靠两种分子的平均速度的差别来实现同位素分离的。较轻的分子（U-235）平均速度较大，因而更容易穿过多孔膜。在分离膜的一侧U-235得到富集，而另一侧U-235显得贫化。每一级的级联装置都包含有压缩机，扩散器，热交换机和带走压缩热的冷却系统。加浓了的轻组分（U-235）在级联中流向后一级，而贫化了的重组分则反向留回前一级。由于单级的分离效率很低，为了达到3%-4%的U-235丰度，就需要把1400级扩散机串联起来。
气体扩散法是最早用于工业规模的铀同位素分离方法。尽管已有几种新的分离方法同它竞争，但气体扩散法仍然得到了广泛的应用。
离心法
离心法是利用在离心力的作用下，分子质量不同的流体的压强分布不同的原理分离同位素的方法。现在各国都采用逆流离心机，在离心机内部建立环流，形成轴向的丰度梯度，使分离系数倍增。从而为达到给定的丰度所需的级数大大减少。典型的离心机长度为40-100cm，直径为10-30cm。当气体被引入高速旋转的离心机时，离心力使较重的组分（U-238）更多地趋于筒壁，而轻组分（U-235）更多的趋于轴中心部分，使两种组分得到分离。
为了使两种同位素得到有效分离，离心机的转子以极高的速度旋转。其角速度通常为50000-70000rpm。旋转气缸外边缘的线速度可达到400-500m/s。要制造出这样的符合要求的装置，在材料和工程上会遇到许多的挑战。现在各国普遍采用碳纤维增强复合材料作为转子材料。
虽然单个离心机的体积要比单个扩散单元小得多，但它的同位素分离能力却很强。离心级通常由大量的并联离心机组成。与气体扩散法类似，这样的离心级通常以级联形式排列。在相同的生产规模下，离心级的级数通常只有10到20级，而扩散法却需要上千级的设备。
激光分离法
激光分离法被称为第三代铀浓缩法，目前各国都在积极研究，有取代离心法的趋势。激光分离所需的占地面积小，它的单位分离功的基建投资和电能消耗估计只有扩散法的1/10；浓缩后的尾料中，U-235的丰度由通常的0.25%降至0.1%。因而，在经济性上具有显著的优势。然而，由于技术上的原因，这种方法还没有得到商业上的应用。
激光分离法的原理是根据原子或分子在吸收光谱上的同位素位移，用特定波长的激光激发某特定同位素原子或含有该原子的分子，再通过物理或化学方法使激发态原子或分子与基态成分分开，从而获得富集的同位素。
本文摘自：http://www.world-nuclear.org/info/Nuclear-Fuel-Cycle/Introduction/Physics-of-Nuclear-Energy/
铀浓缩过程综述2014年10月28日铀浓缩许多铀浓缩方法已经在历史上或者实验室得到证明，但只有两种方法，即气体扩散法和离心分离法，得到了商业规模的应用。这两种方法中，六氟化铀（UF6）气体作为原料。含有U-235原子的六氟化铀分子比其他六氟化铀分子轻大约1%，这种质量上的差异是这两种方法的基础。同位素分离是一个物理过程。
有一种化学方法已经被证实，正处于试验厂阶段，但还未被正式使用。法国的化学交换法利用两种同位素在氧化过程中价位变化特征的微小差异，利用水相和有机相溶液混合。
在法国、德国、荷兰、英国、美国和俄罗斯，都有大型的商用铀浓缩工厂运行，其他国家有较小的工厂。法国和美国正在建设新的离心分离工厂。有几个工厂正在增加产能。
世界各地铀浓缩产能 – 运行的和计划的 (千SWU/yr)国家公司和工厂201320152020
法国Areva Georges Besse I & II550070008200
德国-荷兰-英国Urenco: Gronau Germanu;Almelo Netherlands;Capenhurst UK.142001420015700
日本JNFL Rokkaasho75 (1050 mid 2014)10501500
美国USEC Paducah & Piketon0*3800?3800
美国Urenco New Mexico350057005700
美国Areva Idaho Falls015003300?
美国Global Laser Enrichment01000?3000?
俄罗斯Tenex: Angarsk Novouralsk Zelenogorsk Seversk260003000037000
中国CNNC Hanzhun & Lanzhou220030008000
其他Various755001000?
总 SWU/yr （大约）515506590087200
需求量 (WNA 参考方案)491545142559939
数据来源：WNA全球核燃料2013年市场报告
*扩散法在2013年中期全部退役
其他项包括巴西的雷森迪、印度的Rattehallib、和伊朗的纳坦兹。根据ISIS和其他估计，伊朗在2012年底每年能运行大约9000SWU的产能。
浓缩过程的供料是由铀转化工厂产生的六氟化铀（UF6）组成。浓缩之后，形成了两种UF6料流：一种是浓缩的”精料”，包含了丰度较高的U-235，可以用来制造核燃料；另一种是“贫料”，包含了丰度较低的U-235，称为“乏料”。贫料的铀含量（U-235丰度）是一个重要的量，因为它间接地决定了生产给定丰度的精料所需要的分离一定量UF6的分离功。供料的U-235浓度可能会变化，这取决于铀原料。天然铀的U-235浓度大约是0.7%，而再利用的铀大约是1%，用于再次浓缩的贫料大约是0.25%到0.30%。铀浓缩工厂的产能是利用术语“分离功”或者SWU来计算的。SWU是一个复杂的量，它表示了与分离过程中铀质量相关的能量输入，衡量了铀被浓缩的程度（也就是精料中U-235丰度相对于贫料中U-235增加的程度）和贫料的贫化程度。这个量是有严格规定的：公斤分离功单位，它衡量了用于浓缩已知质量铀的分离功的量，而且供料和精料的质量都用公斤来表示。也可以用单位“吨SWU”。
举例说明，要生产1公斤浓缩到5%的铀，如果浓缩厂的贫料丰度为0.25%，那么需要7.9SWU的分离功，如果浓缩厂的 贫料丰度为0.20%，那么需要8.9SWU的分离功（这种情况下供料的质量为9.4kg，而不是10.4kg）。在分离功SWU的消耗量与铀的供料量之间总有一种权衡。
图1 精料量为1公斤时分离功随精料丰度的变化
图2 供料量为1公斤天然铀时分离功随精料丰度的变化
在图2中可以看出，供料量为1公斤时，核电燃料级的精料量为120-130kg，典型的研究堆燃料级的精料量为26kg,核武器燃料级的精料量为5.6kg。这段曲线这样平整是因为浓缩过程中浓化的铀质量从最初的一公斤不断的减少，所以随着精料量丰度的提高，一定的丰度增量所相应的分离功增量会减少。要从核电燃料丰度提高到核武器燃料丰度，需要相对更小的分离功增量，这解释了为什么浓缩工厂在防止核武器扩散相关方面被认为是一个让人担忧的技术，受到了国际一致认可的严格监督。这种安全监管在一些地方受到阻碍或者被迫退让，比如伊朗，引人担忧。要给一个典型的1000MWe轻水堆提供一年的燃料装载，在现今较高的浓缩水平下，需要大约140kg SWU。浓缩成本与利用的电能有重要的联系。气体扩散法在1SWU的分离功下消耗大约2500KWh，然而现代气体离心厂只需要50KWh(180MJ)。
铀浓缩部分占据了核燃料生产近乎一半的成本，同时是生产核电成本的5%。在过去，铀浓缩还导致了主要温室气体影响，因为核燃料循环中铀浓缩消耗的电能是来自煤炭。然而，使用现代的气体离心工厂，铀浓缩同样消耗煤电，但产生的二氧化碳气体相当于原来的0.1%。
从铀矿购买铀原料的公司需要固定数量的浓缩铀来制造燃料，装载在它们的反应堆中。铀浓缩公司所需要的铀原料的质量取决于要求的U-235浓缩水平和贫料的U-235丰度。这是合同约定的或者过渡时期的贫料丰度，而且决定了必须供应多少天然铀来生产一定数量的浓缩铀产品—较低的贫料丰度意味着需要应用更多的分离功。然而，浓缩厂在贫料丰度方面有一定的弹性。如果贫料丰度低于合同规定的丰度，浓缩厂可以取消一些多余的天然铀，天然铀（或者浓缩铀）是可以按自己的情况进行自由出售的，这称之为供料不足。相反的，如果贫料丰度较高，浓缩厂会补充天然铀，这称之为过度供料。在两种情况下，浓缩厂都会根据工厂效益以及铀与能源的价格来作决定。UxC预测，由于2013年的最优贫料丰度为0.23%，浓缩厂有可能通过减少供料为世界市场每年提供7700吨铀。WNA2013年全球核燃料市场报告中预测0.22%的贫料丰度时为6300吨铀每年。
福岛核事故之后，浓缩铀的需求降低，但浓缩厂还在运行，因为关闭工厂和重启离心机都是有成本的。多余的分离功输出可以出售，或者工厂可以减少供料量，将多余的铀出售，或者工厂可以将浓缩铀保存起来，之后出售。离心方法的这种惯性恶化了铀市场的过量供应。
过时的气体扩散工厂早已经退役了，在美国帕杜卡的工厂一直到2013年才退役。
供应来源20002010预计 2017
扩散50%25%0
离心40%65%93%
激光003%
高浓铀武器10%10%4%
上面表格中的三种浓缩方法有不同的特点：扩散法在需求变化和能源成本方面是很灵活的，但是对能量的需求是巨大的。离心技术容易通过模块扩大来增加产量，但是它不灵活，在低运行成本下满功率工作是最好的。激光技术可以将贫料丰度降低到很低的程度，而且可以模块扩展。
铀浓缩——激光法介绍2014年10月26日铀浓缩激光浓缩法成为人们关注的焦点已经有一段时间了。它可能会成为第三代的浓缩技术，并有望降低能量的投入、节约成本的消耗、减少尾料的检测，从而具有明显的经济性优势。其中一种激光法基本上已经做好了投入商用的准备。激光法按分离对象可分成两类：原子法和分子法。
原子蒸汽激光同位素分离法（简称AVLIS或法语的SILVA）从上世纪70年代开始发展。1985年，美国政府支持该方法作为新的技术取代气体扩散法，因为气体扩散工厂将在21世纪初结束商业运营。但是，在研发领域投入20亿美元后，美国更喜欢SILEX即使用分子法，原子法即被放弃。法国在其SILVA上的工作现在也已停止，随后进行的是一个证实原子法是否科学、技术上是否可行的项目，用时4年至2003年为止。在项目的进行期间，已生产了200kg丰度为2.5%的浓缩铀。
原子蒸汽法的工作原理是光子电离，也就是用高能激光电离铀金属蒸汽内特定原子（在一定频率光的照射下，一个电子会从原子中激发出来。激光技术用于铀元素时使用的频率可以使铀235发生电离，但铀238不会）。带正电荷的铀235离子之后会被吸收到带负电的板上而被收集。激光技术的原子法也可以用于钚的同位素分离。
经过研究所得大部分分子法的工作原理是使用类似原子法的调谐激光打破六氟化铀中铀与氟之间六个化学键的其中之一，从而将六氟化铀光离解为五氟化铀离子。之后就可以将电离产生的五氟化铀离子从含铀238的未受影响的分子中分离出来，实现同位素的分离*。比起原子法，使用六氟化铀的分子法更适用于常规的核燃料循环。
*这种方法同样可以用于锂元素的分离，在磁场作用下取走其它锂离子，剩下纯的锂7。
用分子法浓缩铀的方法中最主要的是SILEX法，它采用六氟化铀进行分离，现作为“全球激光浓缩项目（GLE）”为人所知。2006年通用能源开始了与澳大利亚Silex公司就第三代SILEX法的合作。这项合作让通用公司（现在是日立和通用）可以在美国建设一个工程级规模的试验回路，以及之后的试验工厂或者可能的级联装置。它将在2012年开始运行，并扩展为一个完整的商用工厂。除了2000万美元的前期投入和后续的付款外，协议还将产生7-12%的专利费用，具体数字取决于商用技术的成本可以降到多低。2008年间，Cameco公司耗费1.24亿美元购买了24%的份额，也加入了GLE项目，而通用和日立的份额则是51%和25%（此前在1996年USEC已经获得了评估和开发SILEX分离铀技术的权利，但在2003年离开了该项目）。
通用公司称SILEX（他们称之为GLE）技术是“改变游戏规则的技术”，并且有“极高的可能”成功。通用公司和日立公司正在完成测试回路的项目，初始阶段它的性能成功符合标准，商业设施的工程设计也已经开始。位于全球核燃料（GNF）在加州北部Wilmington燃料元件设施的GLE测试回路现由大东方控股运营——GNF是通用、东芝和日立的合作伙伴。
2007年10月美国两家最大的核公司：Exelon公司和Entergy公司，在全球激光浓缩公司（GLE）的铀浓缩服务的意向协议上签了字。如果需要发展商业级别的GLE工厂，两家公司将会为GLE提供支持。2010年8月，TVA同意若项目获利，它将向GLE购买4亿美元的浓缩服务。
2009年中，大东方控股提交了该GLE工厂的最后一部分许可申请，预计需要NRC用30个月的时间进行处理。2012年2月末NRC公布了这个项目的环境友好审查。其安全评估发现，这个项目在特殊核材料和涉密事物、材料控制、会计上的实物保护，为设施运营的安全保障提供了充分的基础。NRC的原子能安全和许可局在7月审查项目后，于2012年9月颁发了公司建设和运营达600万SWU每年产量工厂的完全许可。至于是否继续在Wilmington建设完全的浓缩设施，这方面的商业考虑GLE现在也将做出积极的决定。2014年起，这个项目可以将铀235的丰度提升至8%，并投入运营，它的年产值也将在2020年上升到600万分离功单位（SWU）。
Silex公司也正在悉尼附近开发该技术在分离硅和锆的稳定同位素方面的应用。
CRISLA是另一种分子激光同位素分离方法，正处于发展的早期阶段。该方法中，气体受特定波长激光照射，使得只有铀235被激发。整个气体处于足以使未电离气体凝结或在寒冷的表面冷凝的低温，但气体中受激发的分子不会像未激发分子一样发生冷凝。故而，气体在冷壁发生冷凝，而从系统中排出的气体则会富集受激发的铀235同位素。作为发展该技术的公司，Neutrek的目标是在美国建立该技术的试验工厂。
铀浓缩——离心法介绍2014年10月26日铀浓缩早在20世纪40年代，离心法就已通过了理论的论证。但由于当时对简易的扩散法的偏爱，这一方法被搁置了。到了60年代，离心法才作为第二代浓缩技术得到发展并投产。在生产规模较小的条件下（比如每年小于200万分离功单位，即SWU），离心法颇为经济，使得大型浓缩工厂的阶段性发展成为可能。而且，用离心法每得到一个SWU只需50到60千瓦时的电能，因而它的能量利用率也要比扩散法高很多。
离心法现已在俄罗斯和欧洲得到商业应用，其中俄罗斯分布在Seversk和Zelenogorsk、Angarsk、Novouralsk的四座离心工厂可占到全球产能的40%。2012年俄罗斯正在调试可达30年使用寿命的八代离心机。第六代和第七代离心机的最后一批是在2005年安装的，而且2004起第八代离心机的设备已经开始供应，以替代服役寿命只有15年的第五代机型。
欧洲的商用离心法则由Urenco推动，它是一个由英国、德国和荷兰政府组成的工业组织。Urenco运行着位于英国、荷兰和德国的离心工厂，并有一座正在美国进行建造。
在日本，则是由JNC和JNFL两个公司经营小型的离心工厂。按计划，JNFL在六所村的产能是150万SWU每年。中国则有两座从俄罗斯进口的离心工厂。其中位于兰州的工厂产能为50万SWU每年，位于汉中的工厂从2011开始以100万SWU每年的产能运行。另外，巴西有一座小的离心工厂正在向20万SWU每年的产能开发。巴基斯坦也已经开发出离心法浓缩技术，并可能正将其卖给朝鲜。伊朗已拥有着先进的离心机技术并已投入运营，估计有9000SWU每年的产能。
为取代较老的扩散工厂，拥有Urenco第六代离心技术的工厂正在法国和美国建造。这不只是因为离心法更加经济。如前所述，运转一个离心工厂只需每SWU50千瓦时的电能（2001到2002年，Urenco在英国Capenhurst的整个工厂包括基础设施和基本建设在内，全年仅消耗了每SWU62.3千瓦时的电能）。
阿海珐公司耗资30亿欧元新建的法国离心工厂Georges Besse二代在2011年4月开始了商业运营，并将在2016年达到750万SWU每年的全额产能。2013年10月，这座工厂已经上线了460万SWU每年的产能。
在美国新墨西哥州，Urenco耗资15亿美元新建了国家铀浓缩设施，并于2010年6月投产。预计在2013年，该厂将初步达到全额产能，即300万SWU每年。计划在2015年，产能要达到570万SWU，满足全美10%的电量需求。
随后，阿海珐公司正在计划于美国的Idaho Falls修建Eagle Rock离心工厂，耗资20亿美元，产能330万SWU每年。它会在2015年开始商业建设，2018年开始生产产品。2009年更提出申请要将设计产能翻倍至660万SWU每年。
Urenco下属离心工厂内的一批离心机
在美国俄亥俄州的Piketon，USEC正在建设美国离心工厂。由于上世纪80年代时，作为一项重要研发项目的成果，美国能源部在Portsmouth运营了一个试验厂，故在Portsmouth也有相同的建设。USEC设想在2012开始工厂的运转，估计将耗费35亿美元。工厂的初始年产能被设计为380万SWU，但申请许可的产能达到了700万SWU，以便于之后的扩展。工厂力求获得生产10%富集度产品的授权，因为大部分浓缩工厂顶多生产铀235富集度达5%的产品，严重制约了反应堆燃料燃耗的增加。一个用于示范的级联装置在2007年的9月开始运行，它由20台样机组成。之后的2010年3月，一个先进的商业离心级联装置也已开始运行。这两个装置体积巨大，有13米高，每个都有350SWU每年的产能。然而，整个项目尚需进一步的融资，在2009年7月基本中止。从2007年5月起到2010年12月项目耗资共计达19.5亿美元，当时预计还需耗费28亿美元。2010年3月，美国能源部拨款4500万美元，以供USEC的持续发展。
类似扩散法，离心法使用六氟化铀作供料，也利用了铀235和铀238原子量的微小差别。供料气体被送入一系列的真空管道中，每个管道含有3至5米高直径20厘米的转子。不同技术使用的转子尺寸有所差异，USEC的美国离心机可高达12m，直径40到50厘米。俄罗斯的离心机则不到1米高。中国的离心机比俄罗斯的要大，但没有Urenco的离心机长。当转子迅速旋转达50000到70000转每分钟时，含有铀238的分子更重，在圆柱体外边缘处的浓度增加，含有铀235的分子在轴心位置的浓度也相应地增加了。再通过热量的不同分布，使气体产生逆向流动，沿轴向排出富集的产物。一端排出分子较重的产物，另一端排出分子较轻的产物。
富集的产物又再次成为下一系列的供料，而贫化的六氟化铀则返回到上一系列。最终，浓缩铀和贫化铀在经过必需的检测后，从整个级联装置中取出来。
为了使两种同位素更加有效地得到分离，离心机的转速极高。其外壁转速可达400到500米每秒，从而产生百万倍于重力加速度的离心力。
虽然单个离心机的体积容量比单级扩散装置的要小很多，但它分离同位素的能力则要强多了。离心机每级通常由大量并行连接的离心机组成。之后，它们像扩散装置那样形成级联。但是，相比扩散法1000乃至更多的级数，离心机可以少到10到20即可满足需求。
