אורניום מועשר

אוּרַנְיוּם מָעֳשָׁר הוא אורניום אשר ריכוז האיזוטופ אורניום-235 בו הוגדל בדרכים מלאכותיות. החומר הבקיע ²³⁵U הוא האיזוטופ הטבעי היחיד שמסוגל לייצר תגובת שרשרת גרעינית בעקבות פגיעת נייטרון, אך הוא מהווה רק כ-0.72% מהמסה בעפרה טבעית של אורניום.
אורניום מועשר נדרש הן לשם ייצור נשק גרעיני והן להפקת אנרגיה בכורים גרעיניים, אולם רמת ההעשרה הדרושה לשם הפקת אנרגיה נמוכה בהרבה מהרמה הנדרשת לשם ייצור פצצת ביקוע גרעיני. פוטנציאל השימוש באורניום מועשר לייצור נשק גרעיני הביא לניטור הפקתו והפצתו על ידי הסוכנות לאנרגיה אטומית, כמו גם למעקב אחר הימצאותו על ידי גופי מודיעין ברחבי העולם, וזאת כדי למנוע את השגתו ברמת השימוש הצבאי על ידי מדינות שאינן אמורות להחזיק בו על פי האמנה למניעת הפצת נשק גרעיני.

רמת ההעשרה

לאורניום המועשר יש שימושים שונים בהתאם לרמת ההעשרה שלו. האורניום הנמצא בנשק גרעיני מכיל בדרך כלל לפחות 85% ²³⁵U. גם רמת העשרה נמוכה מזו מספיקה לגרום לפיצוץ, אולם אז על המסה הקריטית של גוש האורניום להיות גבוהה יותר. ההערכות עבור שיעור המסה הקריטית (כאשר משתמשים במחזיר נייטרונים טוב) היא כ-15 ק"ג עבור ²³⁵U טהור, 25 ק"ג עבור אורניום בדרגת העשרה של 50%, 50 ק"ג עבור אורניום בדרגת העשרה של 20% ], ו-100 ק"ג עבור דרגת העשרה של 10%. מתחת לדרגת העשרה זו, המסה הקריטית עולה בחדות, כך שבאופן מעשי כבר לא ניתן להשתמש בחומר לגרימת פיצוץ.
הסוכנות לאנרגיה אטומית קבעה גבול של 20% העשרה, שמעליו נחשב החומר כשמיש לצורכי נשק, ויש עליו משטר פיקוח קפדני בדומה לפיקוח על פלוטוניום. אורניום בדרגת העשרה העולה על 20% נקרא אורניום מועשר בדרגה גבוהה (HEU - Highly enriched uranium). אורניום בו ריכוז האיזוטופ 235 נמצא בין רמתו הטבעית ובין 20% נקרא אורניום מועשר בדרגה נמוכה (LEU - Low-enriched uranium).
אורניום מועשר ברמה גבוהה משמש לא רק בנשק גרעיני, אלא גם בכורי הכוח של צוללות גרעיניות, שם יש חשיבות למשקל נמוך של המנוע. בכורים גרעיניים משתמשים ברמות שונות של העשרה בהתאם לסוג הכור. בכור נייטרונים מהירים משתמשים באורניום בדרגת העשרה גבוהה. בכורי מים קלים מספיקה דרגת העשרה של כ-5%-3%, ובכורי מים כבדים מספיק להשתמש באורניום המועשר עד רמה של כ-2%, ולעיתים אף באורניום טבעי.

העשרת אורניום

העשרת אורניום הוא תהליך של הפרדת איזוטופים המסתמך על הבדלים בתכונות גרעיני האטומים. הבדלים אלה מתבטאים בעיקר במסה (ההבדלים בתכונות הכימיות קטנים ביותר), אולם במקרה של אורניום גם ההבדל בין מסות האיזוטופים השונים קטן ביותר, וגודלו קצת יותר מאחוז. הדבר מאפשר רק תהליכים סטטיסטיים, מהם אפשר לקבל תערובת העשירה רק במעט יותר ²³⁵U בהשוואה לתערובת הגלם.
המשותף לרוב שיטות ההעשרה הוא היותן מורכבות ממערכים גדולים של אלמנטי הפרדה זהים המסודרים ברמות, כך שכל רמה מעלה מעט יותר את ריכוז ה-²³⁵U. מערך אלמנטים כזה נקרא "קסקדה" (Cascade). כל אלמנט הפרדה מקבל זרם נכנס של אורניום בדרגת העשרה מסוימת, מעביר אורניום מועשר ברמה מעט גבוהה יותר לאלמנטים הנמצאים ברמה הבאה ובמקביל מחזיר שלב אחד אחורנית שאריות אורניום מדולדל יחסית, המצטרף אל הזרם הנכנס לאלמנטים בשלבי העשרה נמוכים יותר.

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.

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 אתו 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.

העשרה באמצעות לייזרים

שיטות מתקדמות יותר, שטרם ידוע על שימוש תעשייתי בהן, מסתמכות על כך שההבדלים הקטנים במסת האיזוטופים השונים של האורניום גורמים לשינויים קטנים בספקטרום רמות האנרגיה הן של אטומי אורניום והן של מולקולות המכילות אורניום. מדובר בשינויים בסדר גודל קטן פי מאה אלף מההפרשים האנרגטיים בספקטרום עצמו. לשם כך יש צורך בלייזר שהתדירות שלו מתאימה בדיוק להפרש אנרגטי מסוים ברמות האנרגיה האלקטרוניות באטומי ²³⁵U. אם רמת הדיוק שלו תהיה גדולה מאחד למאה אלף, אז התדירות המקבילה באטומי ²³⁸U לא תיפול בתחום התדרים שהלייזר פולט.
כאשר מנדפים אטומים של אורניום ומפעילים על הגז לייזר כזה, הוא יעורר רק את אטומי ה-²³⁵U, ולא ישפיע על אטומי ²³⁸U. בצורה זו אפשר לגרום ליינון האטומים הרצויים, ואחר כך להשתמש בשיטה אחרת שתפריד בין חלקיקים טעונים וחלקיקים לא טעונים. תהליכים המשתמשים בשיטה זו על אטומים בודדים של אורניום נקראים AVLIS - Atomic Vapor Laser Isotope Separation. ניתן להפעיל את אותו העיקרון גם על מולקולות המכילות אטומי אורניום, ובפרט על ספקטרום רמות האנרגיה הוויברציוניות שלהן. תהליכים כאלה מכונים MLIS - Molecular Laser Isotope Separation.
השיטה פותחה בישראל בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20, בידי שני מדענים, מנחם לוין וישעיהו נבנצאל.

מהילת אורניום

דרך להפקת אורניום ברמת העשרה נמוכה (LEU) לשם שימוש כדלק בכורים גרעיניים היא מהילת אורניום ברמת העשרה של נשק גרעיני באורניום מדולדל, או באורניום טבעי . תהליך כזה מכונה "downblending". כ-10% מתצרוכת הדלק הגרעיני כיום מתקבלת ממקור זה. לצורך המהילה יש להפוך את האורניום לגז (אורניום שש-פלואורי) או לנוזל. ברוסיה משתמשים בשיטה הראשונה, בעוד שבארצות הברית משתמשים בשיטה השנייה.
אם מקור האורניום המדולדל המשמש בתהליך המהילה הוא פסולת של דלק ששימש בכורים גרעיניים, אז הוא מכיל את האיזוטופ ²³⁶U שנוכחותו מפריעה לתגובת השרשרת הגרעינית בשל האינטראקציה שלו עם הנייטרונים. מלבד המטרה המוצהרת של ייצור דלק לכורים גרעיניים, התהליך משמש לחיסול עודפי אורניום מועשר ברמת נשק גרעיני, וכך הוא עוזר למנוע את הגעתו של האורניום המועשר לידיים בלתי רצויות. ארצות הברית רוכשת מרוסיה אורניום מהול המיוצר מאורניום שמקורו בנשק גרעיני סובייטי שפורק.