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。