Природный уран представляет собой смесь трёх изотопов: ²³⁵U (0,72%), ²³⁸U (99,274%) и ²³⁴U (0,006%). Для нужд ядерной техники часто необхо­дим уран, обогащённый изотопом ²³⁵U.

Урановая руда и оксид ypaнa(IV).

Это ставит перед исследовате­лями нелёгкую задачу разделения изотопов. В промышленности наи­большее распространение приобрёл газодиффузионный метод, осно­ванный на неодинаковой скорости диффузии (проникновения) частиц с различной массой через пористую перегородку — мембрану. Для выде­ления изотопа ²³⁵U весь металл пере­водят во фторид UF₆ — легколетучее кристаллическое вещество. Процесс разделения повторяют многократно с помощью специального каскада с большим числом ячеек, содержащих пористые перегородки. Для обогаще­ния урана изотопом 235 от исходно­го его содержания в природной сме­си до 95% требуется каскад в 5 тыс. ступеней.

Изотопы ²³⁵U и ²³⁸U обладают оди­наковыми химическими, но различ­ными ядерными свойствами. Так, ядра урана-235 при бомбардировке их медленными (тепловыми) нейтро­нами делятся на части, высвобождая колоссальное количество энергии:

Продуктами деления обычно являют­ся ядра элементов середины периоди­ческой системы, например бария, криптона, олова, лантанидов. При превышении критической массы (ми­нимальной массы радиоактивного нуклида, при достижении которой начинается самопроизвольная цепная ядерная реакция) процесс деления приобретает характер разветвлён­ной цепной реакции, которая приво­дит к ядерному взрыву.

 

Схема цепной ядерной реакции деления ²³⁵U.

Изотоп ²³⁸U  не способен делиться под действием пучка нейтронов. Его ядра, захватывая быстрые нейтроны, превращаются в ядра урана-239, ко­торый в свою очередь превращается последовательно в нептуний-239 и плутоний-239:

 

Изотоп ²³⁹Pu, образующийся в ядерных реакторах, тоже использует­ся в качестве ядерного топлива: его ядра способны к делению под дейст­вием нейтронов с выделением энер­гии аналогично урану-235. Плутоний возникает из урана-238 прямо в реак­торе и тут же вовлекается в процесс деления.

Изотоп ²³⁹Pu, как и ²³⁵U, использу­ют и при изготовлении ядерного ору­жия. Для ²³⁵U критическая масса соста­вляет около 0,8 кг, для ²³⁹Pu — 0,5 кг. В момент ядерного взрыва в атомной бомбе специальным образом соединя­ются два куска ядерного топлива, мас­са каждого из которых немного мень­ше критической. Уран — один из самых тяжёлых металлов (его плот­ность 19 г/см³, что почти вдвое превы­шает плотность свинца), поэтому урановый шар с массой равной кри­тической имел бы радиус всего 2,2 см.