עבודה הפרדתית.
פעולת הפרדת האיזוטופים (ולו הפרדה חלקית) היא פעולה המפחיתה אנטרופיה, ולכן יש להשקיע בה עבודה. מדד מקובל לעבודה זו הוא "עבודה הפרדתית", המתקבל כמכפלה של כמות תוצר פעולת ההעשרה בפונקציה חסרת ממד התלויה בדרגות ההעשרה של חומר הגלם, של התוצר ושל השאריות המדוללות. העבודה ההפרדתית פרופורציונית לכמות התוצר, ויש צורך ביותר עבודה הפרדתית כדי לקבל תוצר בדרגת העשרה גבוהה יותר, וכדי לקבל את השאריות המדוללות בדרגת העשרה נמוכה יותר.
העבודה ההפרדתית היא מכפלה של כמות התוצר בפונקציה חסרת ממד, ולכן היא מקבלת את ממד היחידות בהן נמדדת כמות התוצר, אולם נהוג להגדיר יחידה מיוחדת לגודל זה - יחידת עבודה הפרדתית (Separative Work Unit). בדרך כלל נהוג לבטא את כמות התוצר בקילוגרמים, ולסמן את יחידת העבודה ההפרדתית המתקבלת ב-kg SWU, אם כי במקומות רבים היא מסומנת פשוט כ-SWU. תפוקת מפעל העשרה נמדדת בכמות ה-SWU לשנה אותה הוא מסוגל להפיק. יעילות התהליך נמדדת לפי האנרגיה ליחידת עבודה הפרדתית, או לפי העלות ליחידת עבודה הפרדתית.
שיטות העשרה.
המאמצים למציאת שיטות העשרת אורניום החלו בתקופת מלחמת העולם השנייה, לאחר שבשנת 1939 פורסם גילוי הביקוע הגרעיני באורניום. צוות מדענים של גרמניה הנאצית בראשות אריך באגה (Erich Bagge) בנה את הצנטריפוגה הראשונה בהיסטוריה להפקת אורניום מועשר במחצית הראשונה של שנת 1942. פרויקט הגרעין הנאצי נכנס למבוי סתום בשנה שלאחר מכן, הן עקב שיקול לא נכון של היטלר, והן בעקבות פעולת גרילה שפגעה במפעל מים כבדים של גרמניה בנורווגיה. בארצות הברית, חלק גדול מפרויקט מנהטן הוקדש למציאת שיטות להעשרת אורניום, כאשר עלות ויעילות התהליכים לא היוו כמעט שיקול, אלא רק ההיתכנות והמהירות בה שיטות אלו תוכלנה לשמש להעשרה בפועל. לבסוף הוקמו באוק רידג' מתקנים בהם השתמשו בשלוש שיטות העשרה: הפרדת איזוטופים אלקטרומגנטית - שנעשתה במתקן שנקרא קלוטרון (Calutron) והייתה השיטה העיקרית בה הועשר האורניום, ושתי שיטות נוספות, דיפוזיה גזית ודיפוזיה תרמית בנוזל שבהן בוצעה העשרה ראשונית ואחריה עבר התוצר העשרה נוספת בקלוטרון.
לאחר תום המלחמה התברר כי מבין 3 שיטות אלו הדיפוזיה הגזית היא היעילה ביותר, וארצות הברית ובעקבותיה מדינות נוספות, בחרו להשתמש בה להעשרת אורניום. שיטה זו נמצאת בשימוש עד היום בארצות הברית ובצרפת. לעומתן, ברית המועצות החלה לפתח את שיטת הצנטריפוגה הגזית, היעילה ממנה בהרבה. בעוד שיטת הדיפוזיה הגזית צורכת כ-2,500 קילוואט שעה ל-SWU, שיטת הצנטריפוגה דורשת רק כ-50 קילוואט שעה ל-SWU. כיום משתמשים בשיטת הצנטריפוגה להעשרת אורניום ברוסיה, במפעל המשותף של גרמניה הולנד ובריטניה, בסין, ביפן ובפקיסטן. מדינות נוספות העושות מאמצים להצטייד בנשק גרעיני, כמו קוריאה הצפונית, איראן ולוב, הפעילו צנטריפוגות להעשרת אורניום. מאז פיתוח שיטת הצנטריפוגה פותחו שיטות מתקדמות יותר להעשרת אורניום, אולם לא ידוע על שימוש תעשייתי בהן כיום.
דיפוזיה גזית.
שיטת ה"דיפוזיה הגזית" מסתמכת על כך שמהירות ממוצעת של מולקולה בגז תלויה במסה שלה: חלקיקים קלים יותר נעים במהירות גבוהה יותר בממוצע, ולכן מתנגשים פעמים רבות יותר בדופן הכלי בו הם נמצאים. אם קיים חור קטן בדופן אז יש להם סיכוי גדול יותר לצאת דרכו, ואם הדופן עשוי ממחיצה חדירה למחצה הרצופה בחורים כאלה אז בזרם החלקיקים שיעבור אותו יהיה ייצוג יתר למולקולות קלות יותר. תופעה פיזיקלית זו נקראת אפוזיה. עבור האורניום השש-פלואורי היחס בין המהירויות הממוצעות בגז, הנותן את סדר הגודל של שינוי היחס בין האיזוטופים בכל שלב הוא 1.0043.
מכיוון שזרם החלקיקים העובר את המחיצה דליל בצורה ניכרת לעומת הזרם הנכנס, תהליך זה איטי ביותר. בנוסף, בשל דלילות הגז המועשר יש לדחוס אותו ביציאתו ולפני כן לקררו, שכן דחיסה של גז גורמת להעלאת הטמפרטורה שלו. תהליך זה צורך אנרגיה רבה מאוד. שיטה זו הייתה השנייה בחשיבותה מבין שלוש השיטות בהן השתמשו במסגרת פרויקט מנהטן להעשרת אורניום. בתחילת המלחמה הקרה היא הפכה לשיטת ההעשרה העיקרית בארצות הברית, ובעקבותיה בעולם. למרות חוסר יעילות השיטה, הן מבחינת משך הזמן והן מבחינת צריכת האנרגיה, קיומה מנע במשך זמן רב פיתוח שיטות מתחרות. בארצות הברית וצרפת זוהי שיטת ההעשרה העיקרית עד היום.
צנטריפוגה גזית.
העשרת אורניום על ידי צנטריפוגות היא אחת השיטות החשובות כיום ומחליפה בהדרגה את שיטת הדיפוזיה הגזית. העיקרון הפיזיקלי העומד מאחורי השיטה הוא קיום תלות בין אופן הצטברות החומר בדפנות הצנטריפוגה ובין מסת חלקיקיו: עם סיבוב הצנטריפוגה, חלקיקי הגז בתוכה נדחפים לעבר הדופן, אך צפיפותם הולכת ודועכת ככל שמתרחקים מהדופן. דעיכה זו חדה יותר ככל שמסת חלקיקי הגז גדולה יותר. לכן, במקרה של אורניום יהיה בשכבה הצמודה לדופן ייצוג יתר למולקולות הכבדות יותר המכילות 238U, וייצוג נמוך מהממוצע למולקולות הקלות יותר המכילות 235U. ככל שמתרחקים מהדופן כלפי המרכז כך יהיה הגז עשיר יותר ב-235U, אם כי רובו המוחלט יימצא במרחק קטן יחסית מהדופן (במרכז הצנטריפוגה כמעט ואין מולקולות גז כלל).
על ידי תכנון אווירודינמי קפדני הכולל שימוש בהפרשי טמפרטורות בין תחתית המכל המסתובב ובין ראשו, ניתן לשאוב בנקודה אחת זרם שמקורו בשכבה הצמודה לדפנות - שכבה מדוללת ב-235U (ובעלת ייצוג יתר ל-238U), ובנקודה אחרת זרם שמקורו בשכבה מעט יותר פנימית, המועשרת ב-235U.
בגלל ההפרשים הקטנים בין מסות האיזוטופים, כדי להגיע להפרדה משמעותית יש להשתמש במהירויות סיבוב עצומות. העבודה במהירויות אלה תוך הימנעות מחיכוך, ומאיבוד יציבות של הצנטריפוגה מהווה קושי טכנולוגי גדול איתו יש להתמודד בבניית הצנטריפוגות.
על אף שהשימוש בצנטריפוגות נבחן עוד בשנות ה-40, השיטה לא הגיעה לבשלות בזמן פרויקט מנהטן ולא השתמשו בה במסגרתו. קיום שיטת הדיפוזיה, שישימותה הוכחה, מנע את המשך פיתוחה של שיטת ההפרדה בעזרת צנטריפוגות בארצות הברית. בברית המועצות לעומת זאת, הצליח צוות בראשות המדען האוסטרי השבוי גרנוט ציפה (Gernot Zippe) לשכלל את תכנון הצנטריפוגות. ב-1956 שוחרר ציפה, חזר למערב והצליח לשחזר את החידושים בתחום אותו פיתח הצוות שלו בברית המועצות. בשנות ה-60 החל שימוש מסיבי בהעשרת אורניום בשיטות אותן פיתח ציפה, הן בברית המועצות והן במערב אירופה .
העשרה על ידי צנטריפוגות גז נחשבת לשיטה קלה ומהירה יחסית לשיטות אחרות, ולשיטה שיחסית לאחרות קל להסתירה. לכן, מדינות שניסו לפתח בחשאי נשק גרעיני פנו ברובן לניסיונות לשים את ידן על טכנולוגיה זו. הראשונה שהצליחה בכך הייתה פקיסטן, כאשר אבי תוכנית הגרעין שלה, עבדול קאדר ח'אן השיג את הידע לכך בתחילת שנות ה-70 בעת שעבד במעבדת מחקר הולנדית שהייתה מעורבת בתוכנית האירופית להעשרת אורניום. בשנות ה-90 העביר ח'אן חלק מהידע הזה לאיראן, קוריאה הצפונית ולוב. גם עיראק הצליחה להשיג ידע אירופי כשניסתה להשיג נשק גרעיני לפני פרוץ מלחמת המפרץ ב-1991.
שיטות אווירודינמיות.
ישנן מספר שיטות להפרדה אווירודינמית, בה מוזרמת תערובת של גז אורניום שש-פלואורי וגז כמו מימן או הליום (לשיפור מהירות ואיכות הזרימה) באופן בו נוצרים כוחות צנטריפוגליים חזקים הגורמים להפרדה. יוצא ששיטות אלה הן למעשה "צנטריפוגות ללא חלקים נעים". שיטות כאלה פותחו בגרמניה ובדרום אפריקה. כך למשל, תערובת המכילה אורניום שש-פלואורי זורמת במהירות גבוהה בנחיר הפרדה בעל צורה מעוקלת. מסלול התנועה המעוקל גורם לכוח צנטריפוגלי חזק, שבעקבותיו האורניום בצד הפנימי של העיקול מועשר באיזוטופ הקל.
הפרדת איזוטופים אלקטרומגנטית.
שיטת הפרדת איזוטופים אלקטרומגנטית מתבססת על כך שמסלולי חלקיקים טעונים בשדה מגנטי תלויים במסה שלהם - חלקיקים בעלי אותו מטען נעים באותה מהירות ומידת הכוח המגנטי המופעל עליהם זהה, אולם ככל שלחלקיק פחות מסה, התאוצה שלו גדולה יותר, והיא באה לידי ביטוי בעקמומיות גדולה יותר של המסלול. כדי להשתמש בעיקרון זה להפרדת איזוטופים, מאדים את החומר אותו רוצים להפריד והופכים את האטומים או המולקולות ליונים. מאיצים את היונים על ידי הפעלת שדה חשמלי ויוצרים אלומת חלקיקים שנכנסת לתוך שדה מגנטי, שם אלומת החלקיקים מתפצלת לאלומות שונות של האיזוטופים השונים, כך שניתן לאסוף בקצה המסלולים רק את האיזוטופים בהם מעוניינים. מתקן כזה מכונה ספקטרומטר מסות. באורניום, בשל ההבדל הקטן בין המסות של האיזוטופים השונים, המרחק בין מרכזי האלומות אינו גדול מספיק לעומת רוחבן, כך שלא ניתן לאסוף איזוטופים מסוג אחד בלבד, אלא תערובת בה אחוז האיזוטופים מהסוג הרצוי גדול במקצת מריכוזו בחומר הגלם. על מנת לקבל אורניום מועשר באופן משמעותי, יש לחזור על התהליך שוב ושוב כאשר התוצר של כל שלב משמש כחומר הגלם בשלב הבא.
שיטה זו הייתה הראשונה בה השתמשו להעשרת אורניום בקנה מידה גדול, כאשר ארנסט לורנס בנה באוק רידג' את הקלוטרון (על שם אוניברסיטת קליפורניה בה עבד), בו בוצעה רוב העשרת האורניום עבור פצצת "ילד קטן", הפצצה הגרעינית שהוטלה על הירושימה. גם האורניום שהועשר בשתי השיטות האחרות בהן השתמשו שם - הדיפוזיה הגזית, והדיפוזיה התרמית הנוזלית - עבר את שלב ההעשרה הסופי בקלוטרון. אחרי המלחמה נזנחה שיטה זו לטובת שיטת הדיפוזיה, אולם לפי דיווחי פקחי הנשק בעיראק, העיראקים עשו שימוש בשיטה זו להעשרת אורניום בתקופה שקדמה למלחמת המפרץ ב-1991.
העשרה באמצעות לייזרים.