자연에서 채취한 우라늄을 실제 발전소(핵분열)에 사용되는 우라늄-235(235U)의 함량은 전체 우라늄 양의 약 0.7%에 불과합니다. 대부분의 우라늄은 열중성자와 반응하지 않는 우라늄-238입니다. 우라늄-238은 고속중성자를 이용하면 핵분열이 가능하기 때문에 고속로에서 활용이 가능하지만, 일반적인 발전용 원자로에서 사용하려면 우라늄-238의 비율을 줄이고 단위부피당 우라늄-235의 함량을 높이는 농축 과정이 필요합니다.

자연석 상태의 우라늄 광석 피치블렌드의 모습. 자연 상태 우라늄 광석에는 우라늄-235의 비율이 약 0.7%에 불과

우라늄 농축이 어려운 이유는 우라늄-235와 우라늄-238의 화학적 성질이 같기 때문입니다. 따라서 우라늄을 농축하기 위해선 우라늄-235와 우라늄-238의 약 1.3% 정도의 원자 무게 차이를 이용하는 방법밖에 없습니다. 우라늄 농축에 주로 활용되는 방법은 기체확산법, 원심분리법 등이고, 농축 효율을 높이기 위해 노즐 분리법, 레이저 분리법 등이 연구되고 있습니다.

우라늄 농축에는 일반적으로 불화우라늄이 사용됩니다. 불화우라늄은 80~90℃로만 가열해도 기체가 되는 성질이 있어서 우라늄을 농축하기에 적합하기 때문입니다.

기체확산법은 우라늄을 기체상태의 불화우라늄으로 만든 후, 압력의 차를 이용해 가벼운 기체(235U)와 무거운 기체(238U)로 분리하는 방법입니다. 원심분리법은 분리하고자 하는 불화우라늄 기체를 원통 용기와 함께 고속으로 회전시킬 때 발생하는 원심력의 차이를 이용하는 방식입니다. 기체확산법과 원심분리법 모두 같은 과정을 반복해 우라늄-235의 농도를 증가시키지만 농축 효율은 낮은 편입니다.

노즐분리법은 일정한 굴곡이 있는 통로에 고압의 기체를 주입해 기체 분자의 질량에 따른 원심력 차이로 무거운 성분이 벽 쪽으로 붙어서 흐르는 현상을 이용한 것입니다. 이 방식은 기체확산법보다는 효율이 크지만 전력 소모가 크고 큰 압력을 미세하게 조정해야 한다는 기술적인 단점이 있습니다.

레이저분리법은 천연 우라늄 중에서 우라늄-235만을 이온화시키는 레이저를 쏴 이온화된 우라늄-235만을 가루로 모으는 방식입니다. 최근에는 레이저 기술의 발전에 따라 레이저 분리법이 크게 발전하고 있으며, 이를 이용한 농축비용과 효율이 크게 상승할 것으로 보입니다.