Uraniul îmbogățit este uraniu cu un procent ridicat de izotopul U-235, care reprezintă doar aproximativ 72% din uraniul natural. Uraniul normal este denumit U-238, unde numărul semnifică cantitatea de nucleoni (protoni și neutroni) din nucleul său atomic. U-235 are o cantitate neuniformă de protoni și neutroni, făcându-l ușor instabil și susceptibil la fisiunea (diviziunea) de la neutronii termici. Funcționarea procesului de fisiune ca o reacție în lanț este baza energiei nucleare și a armelor nucleare.
Deoarece U-235 are proprietăți chimice identice cu uraniul normal și este cu doar 1.26% mai ușor, separarea celor două poate fi o provocare. Procesele sunt de obicei destul de consumatoare de energie și costisitoare, motiv pentru care doar câteva țări au reușit să o atingă la scară industrială până acum. Pentru a produce uraniu de calitate pentru reactor, sunt necesare procente de U-235 de 3-4%, în timp ce uraniul de calitate pentru arme trebuie să fie compus din 90% U-235 sau mai mult. Există cel puțin nouă tehnici de separare a uraniului, deși unele funcționează cu siguranță mai bine decât altele.
În timpul celui de-al Doilea Război Mondial, Statele Unite, când cercetătorii urmăreau pentru prima dată separarea izotopilor, au fost folosite o serie de tehnici. Prima etapă a constat în difuzia termică. Prin introducerea unui gradient subțire de temperatură, oamenii de știință ar putea atrage particule mai ușoare U-235 către o regiune de căldură și molecule mai grele U-238 către o regiune mai rece. Aceasta a fost doar pregătirea materiei prime pentru următoarea etapă, separarea izotopilor electromagnetici.
Separarea izotopilor electromagnetici implică vaporizarea uraniului și apoi ionizarea acestuia pentru a produce ioni cu sarcină pozitivă. Uraniul ionizat a fost apoi accelerat la îndoire de un câmp magnetic puternic. Atomii U-235 mai ușori au fost deviați puțin mai mult, în timp ce atomii de U-238 puțin mai puțin. Repetând acest proces de multe ori, uraniul ar putea fi îmbogățit. Această tehnică a fost folosită pentru a produce o parte din uraniul îmbogățit pentru bomba Little Boy, care a distrus Hiroshima.
În timpul Războiului Rece, separarea izotopilor electromagnetici a fost abandonată în favoarea tehnicii de îmbogățire prin difuzie gazoasă. Această abordare a împins gazul hexafluorură de uraniu printr-o membrană semi-permeabilă, care a separat ușor cei doi izotopi unul de altul. Ca și tehnica anterioară, acest proces ar fi trebuit să fie efectuat de mai multe ori pentru a izola o cantitate substanțială de U-235.
Tehnicile moderne de îmbogățire folosesc centrifuge. Atomii mai ușori de U-235 s-au împins ușor preferențial spre pereții exteriori ai centrifugelor, concentrându-i acolo unde pot fi extrași. Ca toate celelalte tehnici, trebuie efectuată de mai multe ori pentru a funcționa. Sistemele complete care purifică uraniul în acest fel utilizează multe centrifuge și sunt numite cascade de centrifuge. Centrifuga Zippe este o variantă mai avansată față de centrifuga tradițională, care utilizează căldura, precum și forța centrifugă pentru a separa izotopul.
Alte tehnici de separare a uraniului includ procese aerodinamice, diferite metode de separare cu laser, separare cu plasmă și o tehnică chimică, care profită de o diferență foarte mică în tendința celor doi izotopi de a schimba valența în reacțiile de oxidare/reducere.