Το εμπλουτισμένο ουράνιο είναι ουράνιο με υψηλό ποσοστό του ισοτόπου U-235, το οποίο αποτελεί μόνο περίπου το 72% του φυσικού ουρανίου. Το κανονικό ουράνιο αναφέρεται ως U-238, όπου ο αριθμός σημαίνει την ποσότητα των νουκλεονίων (πρωτόνια και νετρόνια) στον ατομικό του πυρήνα. Το U-235 έχει μια ανομοιόμορφη ποσότητα πρωτονίων και νετρονίων, καθιστώντας το ελαφρώς ασταθές και ευαίσθητο στη σχάση (διάσπαση) από τα θερμικά νετρόνια. Το να προχωρήσει η διαδικασία σχάσης ως αλυσιδωτή αντίδραση είναι η βάση της πυρηνικής ενέργειας και των πυρηνικών όπλων.
Επειδή το U-235 έχει τις ίδιες χημικές ιδιότητες με το κανονικό ουράνιο και είναι μόνο 1.26% ελαφρύτερο, ο διαχωρισμός των δύο μπορεί να είναι αρκετά δύσκολη. Οι διαδικασίες είναι συνήθως αρκετά ενεργοβόρες και δαπανηρές, γι’ αυτό και μόνο λίγες χώρες έχουν καταφέρει να το επιτύχουν σε βιομηχανική κλίμακα μέχρι στιγμής. Για την παραγωγή ουρανίου βαθμού αντιδραστήρα, απαιτούνται ποσοστά U-235 3-4%, ενώ το ουράνιο για όπλα πρέπει να αποτελείται από 90% U-235 ή περισσότερο. Υπάρχουν τουλάχιστον εννέα τεχνικές για τον διαχωρισμό του ουρανίου, αν και ορισμένες σίγουρα λειτουργούν καλύτερα από άλλες.
Κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, στις Ηνωμένες Πολιτείες, όταν οι ερευνητές επιδίωκαν για πρώτη φορά τον διαχωρισμό ισοτόπων, χρησιμοποιήθηκαν μια σειρά τεχνικών. Το πρώτο στάδιο συνίστατο στη θερμική διάχυση. Εισάγοντας μια λεπτή κλίση θερμοκρασίας, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να πείσουν ελαφρύτερα σωματίδια U-235 προς μια περιοχή θερμότητας και βαρύτερα μόρια U-238 προς μια ψυχρότερη περιοχή. Αυτό ήταν απλώς προετοιμασία του υλικού τροφοδοσίας για το επόμενο στάδιο, τον ηλεκτρομαγνητικό διαχωρισμό ισοτόπων.
Ο ηλεκτρομαγνητικός διαχωρισμός ισοτόπων περιλαμβάνει την εξάτμιση του ουρανίου και στη συνέχεια τον ιονισμό του για την παραγωγή ιόντων με θετικό φορτίο. Το ιονισμένο ουράνιο στη συνέχεια επιταχύνθηκε σε κάμψη από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Τα ελαφρύτερα άτομα U-235 εκτρέπονται ελαφρώς περισσότερο, ενώ τα άτομα U-238 ελαφρώς λιγότερο. Επαναλαμβάνοντας αυτή τη διαδικασία πολλές φορές, το ουράνιο θα μπορούσε να εμπλουτιστεί. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή μέρους του εμπλουτισμένου ουρανίου για τη βόμβα Little Boy, η οποία κατέστρεψε τη Χιροσίμα.
Κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, ο διαχωρισμός ηλεκτρομαγνητικών ισοτόπων εγκαταλείφθηκε προς όφελος της τεχνικής εμπλουτισμού με αέρια διάχυση. Αυτή η προσέγγιση ώθησε αέριο εξαφθοριούχο ουράνιο μέσω μιας ημιπερατής μεμβράνης, η οποία χώριζε ελαφρώς τα δύο ισότοπα το ένα από το άλλο. Όπως και η προηγούμενη τεχνική, αυτή η διαδικασία θα έπρεπε να εκτελεστεί πολλές φορές για να απομονωθεί μια σημαντική ποσότητα U-235.
Οι σύγχρονες τεχνικές εμπλουτισμού χρησιμοποιούν φυγόκεντρους. Τα ελαφρύτερα άτομα U-235 ωθήθηκαν ελαφρώς κατά προτίμηση προς τα εξωτερικά τοιχώματα των φυγοκεντρητών, συγκεντρώνοντάς τα όπου μπορούν να εξαχθούν. Όπως όλες οι άλλες τεχνικές, πρέπει να εκτελεστεί πολλές φορές για να λειτουργήσει. Τα πλήρη συστήματα που καθαρίζουν το ουράνιο με αυτόν τον τρόπο χρησιμοποιούν πολλές φυγόκεντρες και ονομάζονται καταρράκτες φυγοκέντρησης. Η φυγόκεντρος Zippe είναι μια πιο προηγμένη παραλλαγή της παραδοσιακής φυγόκεντρου που χρησιμοποιεί θερμότητα καθώς και φυγόκεντρο δύναμη για να διαχωρίσει το ισότοπο.
Άλλες τεχνικές διαχωρισμού ουρανίου περιλαμβάνουν αεροδυναμικές διεργασίες, διάφορες μεθόδους διαχωρισμού με λέιζερ, διαχωρισμό πλάσματος και μια χημική τεχνική, η οποία εκμεταλλεύεται μια πολύ μικρή διαφορά στην τάση των δύο ισοτόπων να αλλάζουν το σθένος στις αντιδράσεις οξείδωσης/αναγωγής.