W jaki sposób wzbogacany jest uran do produkcji bomb?
Wzbogacony uran to uran o wysokim odsetku izotopu U-235, który stanowi jedynie około 0,72% naturalnego uranu. Normalny uran jest określany jako U-238, gdzie liczba oznacza ilość nukleonów (protonów i neutronów) w jego jądrze atomowym. U-235 ma nierównomierną ilość protonów i neutronów, co czyni go nieco niestabilnym i podatnym na rozszczepienie (rozszczepienie) z neutronów termicznych. Rozpoczęcie procesu rozszczepienia jako reakcji łańcuchowej jest podstawą energii jądrowej i broni jądrowej.
Ponieważ U-235 ma identyczne właściwości chemiczne jak normalny uran i jest tylko o 1,26% lżejszy, rozdzielenie ich może być sporym wyzwaniem. Procesy te są zwykle dość energochłonne i kosztowne, dlatego tylko nieliczne kraje były w stanie osiągnąć je na skalę przemysłową. Aby wytworzyć uran klasy reaktorowej, wymagane są 3-4% zawartości U-235, podczas gdy uran klasy broni musi składać się z 90% U-235 lub więcej. Istnieje co najmniej dziewięć technik separacji uranu, chociaż niektóre zdecydowanie działają lepiej niż inne.
Podczas II wojny światowej w Stanach Zjednoczonych, kiedy badacze po raz pierwszy dążyli do separacji izotopów, zastosowano szereg technik. Pierwszy etap polegał na dyfuzji termicznej. Wprowadzając cienki gradient temperatury, naukowcy mogli skierować lżejsze cząsteczki U-235 w kierunku regionu ciepła, a cięższe cząsteczki U-238 w kierunku chłodniejszego regionu. Było to tylko przygotowanie materiału paszowego do następnego etapu, elektromagnetycznego rozdziału izotopów.
Elektromagnetyczne rozdzielanie izotopów polega na odparowaniu uranu, a następnie jonizacji w celu wytworzenia jonów o ładunku dodatnim. Zjonizowany uran był następnie przyspieszany przy zginaniu przez silne pole magnetyczne. Lżejsze atomy U-235 zostały nieco bardziej odchylone, a U-238 nieco mniej. Powtarzając ten proces wiele razy, można wzbogacić uran. Technikę tę wykorzystano do wytworzenia wzbogaconego uranu dla bomby Little Boy, która zniszczyła Hiroszimę.
Podczas zimnej wojny porzucono elektromagnetyczne rozdzielanie izotopów na rzecz techniki wzbogacania metodą dyfuzji gazowej. To podejście przepychało gazowy heksafluorek uranu przez półprzepuszczalną membranę, która nieznacznie oddzieliła dwa izotopy od siebie. Podobnie jak poprzednia technika, proces ten musiałby być wykonywany wiele razy w celu wyizolowania znacznej ilości U-235.
Współczesne techniki wzbogacania wykorzystują wirówki. Lżejsze atomy U-235 delikatnie preferencyjnie popychały w kierunku zewnętrznych ścianek wirówek, koncentrując je tam, gdzie można je wydobyć. Podobnie jak wszystkie inne techniki, musi być wykonywany wiele razy, aby działać. Pełne systemy, które oczyszczają uran w ten sposób, wykorzystują wiele wirówek i są nazywane kaskadami wirówkowymi. Wirówka Zippe jest bardziej zaawansowanym wariantem tradycyjnej wirówki, która wykorzystuje ciepło oraz siłę odśrodkową do oddzielenia izotopu.
Inne techniki separacji uranu obejmują procesy aerodynamiczne, różne metody separacji laserowej, separacji plazmy oraz technikę chemiczną, która wykorzystuje bardzo niewielką różnicę w skłonności dwóch izotopów do zmiany wartościowości w reakcjach utleniania / redukcji.