การแยกไอโซโทปคือกระบวนการเพิ่มความเข้มข้นของไอโซโทป เฉพาะ ของธาตุทางเคมีโดยการกำจัดไอโซโทปอื่นๆ การนำนิวไคลด์ที่ได้ไปใช้มีหลากหลาย โดยส่วนใหญ่ใช้ในการวิจัย (เช่น ในวิชาเคมีที่ใช้อะตอมของนิวไคลด์ "ตัวบ่งชี้" เพื่อหาความหมายของกลไกปฏิกิริยา) ในแง่ของปริมาณ การแยกยูเรเนียมธรรมชาติออกเป็นยูเรเนียมเสริมสมรรถนะและยูเรเนียมลดสมรรถนะเป็นงานที่ใช้ปริมาณมากที่สุด กระบวนการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตเชื้อเพลิงยูเรเนียมสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์และยังจำเป็นสำหรับการสร้างอาวุธนิวเคลียร์ ที่ใช้ยูเรเนียมเป็นส่วนประกอบ (ยกเว้นกรณีที่ใช้ยูเรเนียม-233 ) อาวุธที่ใช้พลูโทเนียมเป็นส่วนประกอบจะใช้ พลูโทเนียมที่ผลิตในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งต้องดำเนินการในลักษณะที่ผลิตพลูโทเนียมที่มีส่วนผสมของไอโซโทปหรือเกรด ที่ เหมาะสม อยู่แล้ว

แม้ว่าธาตุเคมีจะสามารถทำให้บริสุทธิ์ได้ด้วยกระบวนการทางเคมีแต่ไอโซโทปของธาตุเดียวกันนั้นมีคุณสมบัติทางเคมีที่เกือบจะเหมือนกัน ทำให้การแยกประเภทนี้ทำได้ยาก ยกเว้นการแยกดิวเทอเรียม

เทคนิคการแยกไอโซโทปมี 3 ประเภท ได้แก่:

• ซึ่งคำนวณโดยตรงจากน้ำหนักอะตอมของไอโซโทป
• โดยพิจารณาจากความแตกต่างเล็กน้อยในอัตราการเกิดปฏิกิริยา เคมี ที่เกิดจากน้ำหนักอะตอมที่แตกต่างกัน
• ตัวเลขเหล่านั้นอิงตามคุณสมบัติที่ไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับน้ำหนักอะตอม เช่นนิวเคลียร์เรโซแนนซ์

การแยกประเภทที่สามยังอยู่ในขั้นตอนการทดลอง เทคนิคการแยกในทางปฏิบัติทั้งหมดขึ้นอยู่กับมวลอะตอมในบางลักษณะ ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วการแยกไอโซโทปที่มีความแตกต่างของมวลสัมพัทธ์มากกว่าจึงทำได้ง่ายกว่า ตัวอย่างเช่นดิวเทอเรียมมีมวลเป็นสองเท่าของไฮโดรเจน ธรรมดา (เบา) และโดยทั่วไปแล้วการทำให้บริสุทธิ์ทำได้ง่ายกว่าการแยกยูเรเนียม-235 ออกจาก ยูเรเนียม-238ที่พบได้ทั่วไปในทางตรงกันข้าม การแยกพลูโทเนียม-239 ที่สามารถแตกตัวได้ออกจาก พลูโทเนียม-240ซึ่งเป็นสิ่งเจือปนทั่วไปแม้ว่าจะเป็นสิ่งที่พึงปรารถนาเพราะจะทำให้สามารถสร้างอาวุธฟิสชันแบบปืนจากพลูโทเนียมได้ แต่โดยทั่วไปแล้วเป็นที่ยอมรับกันว่าไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ^{[ 1 ]}

ระบบการแยกไอโซโทปขนาดใหญ่ทั้งหมดใช้ขั้นตอนที่คล้ายคลึงกันหลายขั้นตอน ซึ่งจะผลิตความเข้มข้นของไอโซโทปที่ต้องการสูงขึ้นเรื่อยๆ แต่ละขั้นตอนจะเพิ่มความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์จากขั้นตอนก่อนหน้าให้มากขึ้นก่อนที่จะส่งไปยังขั้นตอนถัดไป ในทำนองเดียวกัน กากที่เหลือจากแต่ละขั้นตอนจะถูกส่งกลับไปยังขั้นตอนก่อนหน้าเพื่อดำเนินการต่อไป สิ่งนี้สร้างระบบการเพิ่มความเข้มข้นแบบต่อเนื่องที่เรียกว่า ระบบเรียงลำดับ (cascade ) มีปัจจัยสำคัญสองประการที่บ่งบอกถึงประสิทธิภาพของระบบเรียงลำดับ ประการแรกคือปัจจัยการแยกซึ่งเป็นตัวเลขที่มากกว่า 1 ประการที่สองคือ จำนวนขั้นตอนที่จำเป็นเพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ที่ต้องการ

จนถึงปัจจุบัน การแยกไอโซโทปเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่เกิดขึ้นแล้วเพียงสามธาตุเท่านั้น โดยในแต่ละกรณี ไอโซโทปที่หายากกว่าในสองไอโซโทปที่พบได้บ่อยที่สุดของธาตุนั้น ๆ จะถูกทำให้เข้มข้นขึ้นเพื่อใช้ในเทคโนโลยีนิวเคลียร์:

• ไอโซโทป ของยูเรเนียมถูกแยกออกจากกันเพื่อเตรียมยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสำหรับใช้เป็น เชื้อเพลิงในเครื่อง ปฏิกรณ์นิวเคลียร์และในอาวุธนิวเคลียร์
• มีการแยกไอโซโทปของไฮโดรเจน เพื่อเตรียม น้ำหนักมาก (heavy water)สำหรับใช้เป็นตัวหน่วงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
  • ทริเทียมเป็นทั้งสิ่งรบกวนในสารหล่อเย็น/ตัวลดความเร็วของนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบใช้น้ำเป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอน และยังเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีค่า ดังนั้นบางครั้งจึงมีการแยกทริเทียมออกจากสารหล่อเย็น
• ลิเธียม-6ถูกทำให้เข้มข้นเพื่อใช้ในอาวุธเทอร์โมนิวเคลียร์ ส่วนทริเทียมนั้นโดยทั่วไปผลิตจากลิเธียม-6 ซึ่งมักจะถูกทำให้เข้มข้นเพื่อจุดประสงค์นี้

ธาตุบริสุทธิ์ไอโซโทปบางชนิดถูกนำมาใช้ในปริมาณที่น้อยกว่าสำหรับการใช้งานเฉพาะทาง โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งซิลิคอน บริสุทธิ์ ถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงโครงสร้างผลึกและการนำความร้อน^{[ 2 ]}และคาร์บอนที่มีความบริสุทธิ์ไอโซโทปสูงกว่าถูกนำมาใช้ทำเพชรที่มีการนำความร้อนสูงกว่า

การแยกไอโซโทปเป็นกระบวนการสำคัญสำหรับเทคโนโลยีนิวเคลียร์ทั้งเพื่อสันติและเพื่อการทหาร ดังนั้น ความสามารถในการแยกไอโซโทปของประเทศใดประเทศหนึ่งจึงเป็นที่สนใจอย่างยิ่งของหน่วยงานข่าวกรอง

ทางเลือกเดียวสำหรับการแยกไอโซโทปคือการผลิตไอโซโทปที่ต้องการในรูปบริสุทธิ์ ซึ่งอาจทำได้โดยการฉายรังสีไปยังเป้าหมายที่เหมาะสม แต่ต้องระมัดระวังในการเลือกเป้าหมายและปัจจัยอื่นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าได้เฉพาะไอโซโทปที่ต้องการของธาตุที่สนใจเท่านั้น ไอโซโทปของธาตุอื่นๆ ไม่ใช่ปัญหาใหญ่มากนัก เนื่องจากสามารถกำจัดออกได้ด้วยวิธีการทางเคมี

เรื่องนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการเตรียมพลูโทเนียม-239 คุณภาพสูง สำหรับใช้ในอาวุธนิวเคลียร์ การแยก Pu-239 ออกจาก Pu-240 หรือ Pu-241 นั้นทำได้ยากPu-239 ที่สามารถ แตกตัวได้นั้นเกิดขึ้นจาก การจับนิวตรอนของยูเรเนียม-238 แต่การจับนิวตรอนเพิ่มเติมจะทำให้เกิดPu-240ซึ่งแตกตัวได้ยากกว่าและแย่กว่านั้นคือเป็นตัวปล่อยนิวตรอนที่ค่อนข้างแรง และPu-241ซึ่งสลายตัวเป็นAm-241ซึ่งเป็นตัวปล่อยอัลฟาที่แรงและก่อให้เกิดปัญหาเรื่องความร้อนในตัวเองและความเป็นพิษทางรังสี ดังนั้นเป้าหมายยูเรเนียมที่ใช้ในการผลิตพลูโทเนียมทางการทหารจึงต้องฉายรังสีเพียงช่วงเวลาสั้นๆ เพื่อลดการผลิตไอโซโทปที่ไม่พึงประสงค์เหล่านี้ ในทางกลับกัน การผสมพลูโทเนียมกับ Pu-240 จะทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับอาวุธนิวเคลียร์

หากเป้าหมายที่ต้องการไม่ใช่ระเบิดปรมาณู แต่เป็นการเดินเครื่องโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเพื่อใช้ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำเบาคือการใช้ตัวลดความเร็วของนิวตรอนที่มีค่าภาคตัดขวางการดูดซับนิวตรอนต่ำกว่าโปรเทียมตัวเลือกต่างๆ ได้แก่น้ำหนักมาก (heavy water)ที่ใช้ใน เครื่องปฏิกรณ์แบบ CANDUหรือกราไฟต์ที่ใช้ใน เครื่องปฏิกรณ์ แมกน็อกซ์หรือRBMKอย่างไรก็ตาม การได้มาซึ่งน้ำหนักมากนั้นยังต้องมีการแยกไอโซโทป ในกรณีนี้คือไอโซโทปของไฮโดรเจน ซึ่งทำได้ง่ายกว่าเนื่องจากมีความแปรผันของน้ำหนักอะตอมมากกว่า ทั้งเครื่องปฏิกรณ์แมกน็อกซ์และ RBMK มีคุณสมบัติที่ไม่พึงประสงค์เมื่อใช้ยูเรเนียมธรรมชาติซึ่งในที่สุดนำไปสู่การแทนที่เชื้อเพลิงนี้ด้วยยูเรเนียมเสริมสมรรถนะต่ำ ทำให้ข้อดีของการไม่เสริมสมรรถนะหมดไปเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักมากแบบความดันสูงเช่น CANDU ยังคงใช้งานอยู่ และอินเดียซึ่งมีทรัพยากรยูเรเนียมในประเทศจำกัดและอยู่ภายใต้การคว่ำบาตรนิวเคลียร์บางส่วนนับตั้งแต่กลายเป็นรัฐที่สร้างระเบิดปรมาณูโดยเฉพาะอย่างยิ่งพึ่งพาเครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้น้ำหนักมากเป็นตัวลดความเร็วของนิวตรอนสำหรับพลังงานนิวเคลียร์ของตน ข้อเสียเปรียบอย่างมากของเครื่องปฏิกรณ์น้ำหนักมากคือต้นทุนเริ่มต้นมหาศาลของน้ำหนักมากนั้นเอง

วิธี การแพร่กระจายมักใช้กับก๊าซ แต่ก็ใช้กับของเหลวได้เช่นกันวิธีนี้อาศัยข้อเท็จจริงที่ว่า ในสภาวะสมดุลทางความร้อน ไอโซโทปสองชนิดที่มีพลังงานเท่ากันจะมีค่าความเร็วเฉลี่ยที่แตกต่างกัน อะตอมที่เบากว่า (หรือโมเลกุลที่ประกอบด้วยอะตอมเหล่านั้น) จะเคลื่อนที่ผ่านเยื่อกั้นได้เร็วกว่า โดยที่เส้นผ่านศูนย์กลางของรูพรุนของเยื่อกั้นจะไม่ใหญ่กว่าความยาวเฉลี่ยของเส้นทางอิสระ ( การไหลแบบ Knudsen ) อัตราส่วนความเร็วเท่ากับรากที่สองผกผันของอัตราส่วนมวล ดังนั้นปริมาณการแยกจึงมีน้อย ตัวอย่างเช่น สำหรับ²³⁵ UF6 เทียบกับ²³⁸ UF6 _{อัตราส่วน คือ 1.0043 ดังนั้นจึงต้องใช้หลายขั้นตอนต่อเนื่อง กัน}เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์สูง วิธีนี้มีราคาแพงเนื่องจากต้องใช้แรงงานในการผลักก๊าซผ่านเยื่อกั้นและต้องใช้หลายขั้นตอน ซึ่งแต่ละขั้นตอนต้องมีการอัดก๊าซซ้ำ

การแยกไอโซโทปของยูเรเนียมในระดับใหญ่ครั้งแรกเกิดขึ้นในสหรัฐอเมริกาที่โรงงานแยกไอโซโทปแบบแพร่กระจาย ขนาดใหญ่ที่ Clinton Engineering Worksซึ่งก่อตั้งขึ้นเป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตัน โรงงาน เหล่านี้ใช้ ก๊าซ ยูเรเนียมเฮกซาฟลูออไรด์เป็นของเหลวในกระบวนการ ผงนิกเกิลและตาข่ายนิกเกิลที่เคลือบด้วยไฟฟ้าเป็นสิ่งกีดขวางการแพร่กระจายที่บุกเบิกโดย Edward Adler และ Edward Norris ^{[ 3 ]}เนื่องจากมีการใช้พลังงานสูง การเสริมสมรรถนะยูเรเนียมโดยการแพร่กระจายจึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากกว่า

โรงงานแพร่กระจายแห่งสุดท้ายปิดตัวลงในปี 2013 ^{[ 4 ]}โรงงานแพร่กระจายก๊าซแพดูคาห์เป็นความพยายามของรัฐบาลสหรัฐฯ ในการผลิตยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสูงเพื่อใช้เป็นพลังงานให้กับเครื่องปฏิกรณ์ทางทหารและสร้างระเบิดนิวเคลียร์ ซึ่งนำไปสู่การก่อตั้งโรงงานแห่งนี้ในปี 1952 การเสริมสมรรถนะของแพดูคาห์ในตอนแรกนั้นอยู่ในระดับต่ำ และโรงงานแห่งนี้ดำเนินการเป็น "โรงงานป้อนวัตถุดิบ" สำหรับโรงงานป้องกันประเทศอื่นๆ ที่แปรรูปยูเรเนียมเสริมสมรรถนะที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในโอ๊คริดจ์ รัฐเทนเนสซีและโรงงานแพร่กระจายก๊าซพอร์ตสมัธในพิเคตัน รัฐโอไฮโอเป้าหมายของแพดูคาห์และโรงงานคู่ขนานในพิเคตันได้รับการปรับเปลี่ยนในช่วงทศวรรษ 1960 เมื่อพวกเขาเริ่มเสริมสมรรถนะยูเรเนียมเพื่อใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เชิงพาณิชย์เพื่อผลิตพลังงาน^{[ 5 ]}

แผนการ เหวี่ยงแยกจะหมุนวัสดุอย่างรวดเร็ว ทำให้ไอโซโทปที่หนักกว่าเข้าใกล้ผนังรัศมีด้านนอกมากขึ้น มักทำในรูปก๊าซโดยใช้เครื่องเหวี่ยงแยกแบบ Zippeการเหวี่ยงแยกพลาสมาสามารถแยกไอโซโทปได้ เช่นเดียวกับการแยกช่วงของธาตุเพื่อลดกากกัมมันตรังสี การแปรรูปนิวเคลียร์ และวัตถุประสงค์อื่นๆ กระบวนการนี้เรียกว่า "การแยกมวลพลาสมา" อุปกรณ์เรียกว่า "ตัวกรองมวลพลาสมา" หรือ "เครื่องเหวี่ยงแยกพลาสมา" (ไม่ควรสับสนกับเครื่องเหวี่ยงแยกทางการแพทย์ ) ^{[ 6 ]}

การแยกไอโซโทปด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางได้รับการเสนอแนะครั้งแรกโดย Aston และ Lindemann ^{[ 7 ]}ในปี 1919 และการทดลองที่ประสบความสำเร็จครั้งแรกได้รับการรายงานโดย Beams และ Haynes ^{[ 8 ]}เกี่ยวกับไอโซโทปของคลอรีนในปี 1936 อย่างไรก็ตาม ความพยายามที่จะใช้เทคโนโลยีนี้ในระหว่างโครงการแมนฮัตตันนั้นไม่ประสบผลสำเร็จ ในยุคปัจจุบัน วิธีการนี้เป็นวิธีการหลักที่ใช้ทั่วโลกในการเสริมสมรรถนะยูเรเนียม และด้วยเหตุนี้จึงยังคงเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างเป็นความลับ ซึ่งขัดขวางการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในวงกว้างมากขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ก๊าซ UF ₆จะเชื่อมต่อกับกระบอกสูบที่หมุนด้วยความเร็วสูง โมเลกุลของก๊าซที่หนักกว่าซึ่งมี U-238 จะรวมตัวกันใกล้ขอบด้านนอกของกระบอกสูบ ในขณะที่โมเลกุลที่มี U-235 จะรวมตัวกันที่ศูนย์กลางแล้วจึงถูกป้อนไปยังขั้นตอนแบบเรียงลำดับต่อไป^{[ 9 ]}

การใช้เทคโนโลยีการแยกไอโซโทปด้วยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางแบบใช้ก๊าซเป็นวิธีการที่น่าสนใจ เนื่องจากใช้พลังงานน้อยลงอย่างมากเมื่อเทียบกับเทคนิคแบบดั้งเดิม เช่น โรงงานแยกไอโซโทปด้วยการแพร่กระจาย เนื่องจากใช้ขั้นตอนแบบเรียงลำดับน้อยกว่าเพื่อให้ได้ระดับการแยกที่ใกล้เคียงกัน นอกจากจะใช้พลังงานน้อยลงเพื่อให้ได้การแยกในระดับเดียวกันแล้ว ยังสามารถสร้างโรงงานขนาดเล็กกว่าได้มาก ทำให้เป็นทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับประเทศขนาดเล็กที่พยายามผลิตอาวุธนิวเคลียร์ เชื่อกันว่าปากีสถานใช้วิธีนี้ในการพัฒนาอาวุธนิวเคลียร์ของตน

ท่อหมุนวนถูกใช้โดยแอฟริกาใต้ในกระบวนการแยกไอโซโทปแบบหมุนวน Helikonก๊าซจะถูกฉีดเข้าไปในห้องที่มีรูปทรงเรขาคณิตพิเศษในแนวสัมผัส ซึ่งจะเพิ่มการหมุนให้สูงขึ้นมาก ทำให้ไอโซโทปแยกออกจากกัน^{[ 10 ]}วิธีนี้เรียบง่ายเพราะท่อหมุนวนไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ แต่ต้องใช้พลังงานสูงมาก ประมาณ 50 เท่าของเครื่องเหวี่ยงก๊าซ กระบวนการที่คล้ายกันนี้เรียกว่าหัวฉีดเจ็ทถูกสร้างขึ้นในเยอรมนี โดยมีการสร้างโรงงานสาธิตในบราซิล และพวกเขายังพัฒนาสถานที่เพื่อผลิตเชื้อเพลิงสำหรับโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ของประเทศอีกด้วย^{[ 11 ]}

การแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าคือการวิเคราะห์มวลสารในระดับใหญ่ ดังนั้นบางครั้งจึงเรียกว่าการวิเคราะห์มวลสาร วิธีการนี้ใช้หลักการที่ว่าอนุภาคที่มีประจุจะเบี่ยงเบนไปในสนามแม่เหล็กและปริมาณการเบี่ยงเบนจะขึ้นอยู่กับมวลของอนุภาค วิธีนี้มีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับปริมาณที่ได้ เนื่องจากมีอัตราการผลิตต่ำมาก แต่สามารถทำให้ได้สารที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก วิธีนี้มักใช้ในการประมวลผลไอโซโทปบริสุทธิ์ในปริมาณน้อยเพื่อการวิจัยหรือการใช้งานเฉพาะ (เช่นสารติดตามไอโซโทป ) แต่ไม่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในระดับอุตสาหกรรม

ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ เออร์เนสต์ โอ . ลอว์เรนซ์ได้พัฒนาวิธีการแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับยูเรเนียมส่วนใหญ่ที่ใช้ในระเบิดปรมาณูลูกแรกอุปกรณ์ที่ใช้หลักการของเขาเรียกว่าคาลูตรอนหลังสงคราม วิธีการนี้ถูกยกเลิกไปเป็นส่วนใหญ่เนื่องจากไม่สามารถนำไปใช้ได้จริง วิธีการนี้ถูกนำมาใช้ (ควบคู่ไปกับวิธีการแพร่กระจายและเทคโนโลยีอื่นๆ) เพียงเพื่อรับประกันว่าจะมีวัสดุเพียงพอสำหรับการใช้งาน ไม่ว่าจะต้องเสียค่าใช้จ่ายเท่าใดก็ตาม ผลงานสำคัญในท้ายที่สุดของวิธีการนี้ต่อความพยายามในการทำสงครามคือ การเพิ่มความเข้มข้นของวัสดุจากโรงงานผลิตยูเรเนียมด้วยวิธีการแพร่กระจายก๊าซให้มีความบริสุทธิ์สูงขึ้น

ในวิธีนี้เลเซอร์จะถูกปรับให้มีความยาวคลื่นที่กระตุ้นเฉพาะไอโซโทปเดียวของวัสดุและทำให้เกิดการแตกตัวเป็นไอออนของอะตอมเหล่านั้นโดยเฉพาะ สำหรับอะตอม การดูดซับแสงแบบเรโซแนนซ์สำหรับไอโซโทปจะขึ้นอยู่กับ^{[ 12 ]}

• มวลนิวเคลียร์ (สังเกตได้ชัดเจนในธาตุเบา)
• ปริมาตรนิวเคลียร์ (ซึ่งทำให้เกิดการเบี่ยงเบนจากศักย์คูลอมบ์สังเกตได้ชัดเจนในธาตุที่มีมวลมาก)
• การแยก แบบไฮเปอร์ไฟน์ของการเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอน หากนิวเคลียสมีสปิน

วิธีนี้ ช่วยให้เลเซอร์ที่ปรับแต่งอย่างละเอียดสามารถโต้ตอบกับไอโซโทปเพียงชนิดเดียวได้ หลังจากที่อะตอมถูกไอออนไนซ์แล้ว ก็สามารถแยกออกจากตัวอย่างได้โดยการใช้สนามไฟฟ้าวิธีนี้มักย่อเป็น AVLIS ( การแยกไอโซโทปด้วยเลเซอร์ไออะตอม ) วิธีนี้ได้รับการพัฒนาขึ้นเมื่อเทคโนโลยีเลเซอร์ดีขึ้นในช่วงปี 1970 ถึง 1980 ความพยายามที่จะพัฒนาไปสู่ระดับอุตสาหกรรมสำหรับการเสริมสมรรถนะยูเรเนียมถูกยกเลิกไปในช่วงปี 1990 "เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคที่ไม่สิ้นสุด" และเนื่องจากเครื่องปั่นเหวี่ยงได้พัฒนาจนถึงระดับที่พร้อมทางเทคนิคแล้ว^{[ 13 ] [ 14 ]}อย่างไรก็ตาม นี่เป็นข้อกังวลหลักสำหรับผู้ที่อยู่ในสาขาการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์เนื่องจากอาจมีราคาถูกกว่าและซ่อนได้ง่ายกว่าวิธีการแยกไอโซโทปอื่นๆเลเซอร์ที่ปรับได้ที่ใช้ใน AVLIS ได้แก่เลเซอร์ย้อมสี^{[ 15 ]}และล่าสุดคือเลเซอร์ไดโอด^{[ 16 ]}

วิธีการแยกด้วยเลเซอร์แบบที่สองเรียกว่าการแยกไอโซโทปด้วยเลเซอร์ระดับโมเลกุล (MLIS) ในวิธีนี้ เลเซอร์อินฟราเรดจะถูกฉายไปที่ ก๊าซ ยูเรเนียมเฮกซาฟลูออ ไร ด์ (หากต้องการเพิ่มความเข้มข้นของยูเรเนียม) เพื่อกระตุ้นโมเลกุลที่มี อะตอม U-235เลเซอร์ตัวที่สอง ซึ่งอาจอยู่ในช่วงอินฟราเรดเช่นกัน ( การแตกตัวด้วยโฟตอนหลายตัวในอินฟราเรด ) หรือในช่วงยูวี จะปลดปล่อยอะตอมฟลูออรีน ออกมา ทำให้เหลือ ยูเรเนียมเพนตาฟลูออไรด์ซึ่งจะตกตะกอนออกจากก๊าซ การเรียงลำดับขั้นตอน MLIS นั้นยากกว่าวิธีอื่น ๆ เนื่องจาก UF5 _ต้องถูกฟลูออริเนตกลับไปเป็น UF6 _ก่อนที่จะนำเข้าสู่ขั้นตอน MLIS ถัดไป แต่สำหรับธาตุเบา ความสามารถในการเลือกไอโซโทปมักจะดีพออยู่แล้ว จึงไม่จำเป็นต้องเรียงลำดับขั้นตอน

มีการพัฒนาระบบ MLIS ทางเลือกหลายวิธี ตัวอย่างเช่น วิธีหนึ่งใช้เลเซอร์ตัวแรกในย่านอินฟราเรดใกล้หรือย่านแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งสามารถได้ค่าการเลือกสรรมากกว่า 20:1 ในขั้นตอนเดียว วิธีนี้เรียกว่า OP-IRMPD (Overtone Pre-excitation— IR Multiple Photon Dissociation ) แต่เนื่องจากความน่าจะเป็นในการดูดซับในโอเวอร์โทนมีน้อย โฟตอนจำนวนมากจึงยังคงไม่ได้ใช้งาน ทำให้วิธีนี้ไม่สามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมได้ นอกจากนี้ วิธี MLIS อื่นๆ บางวิธีก็ประสบปัญหาการสิ้นเปลืองโฟตอนที่มีราคาแพงเช่นกัน

ในที่สุด กระบวนการ ' การแยกไอโซโทปด้วยการกระตุ้นด้วยเลเซอร์ ' (SILEX) ซึ่งพัฒนาโดยSilex Systemsในออสเตรเลีย ได้รับอนุญาตให้ General Electric นำไปใช้ในการพัฒนาโรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมนำร่อง สำหรับยูเรเนียม กระบวนการนี้ใช้ลำแสงโมเลกุลเย็นที่มี UF6 _{ในก๊าซ}พาหะ โดยที่235UF6 ^จะถูกกระตุ้นอย่างเลือกสรรโดยเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ 16 ไมโครเมตร ในทางตรงกันข้ามกับโมเลกุลที่ถูกกระตุ้น โมเลกุลไอโซโทปที่หนักกว่าซึ่งไม่ถูกกระตุ้นมีแนวโน้มที่จะรวมกลุ่มกับก๊าซพาหะ และกลุ่มเหล่านี้จะอยู่ใกล้กับแกนของลำแสงโมเลกุลมากขึ้น ทำให้สามารถผ่านตัวกรองและถูกแยกออกจากไอโซโทปที่เบากว่าซึ่งถูกกระตุ้นได้

นับตั้งแต่ปี 1994 มีการเสนอแผนการอีกแบบหนึ่งสำหรับการแยกดิวเทอเรียม โดยใช้ แพ็กเก็ตคลื่นโทรจันที่เกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแบบโพลาไรซ์เป็นวงกลม^{[ 17 ]}หรือเชิงเส้น^{[ 18 ]}กระบวนการก่อตัวของแพ็กเก็ตคลื่นโทรจันโดยการผ่านอย่างรวดเร็วแบบอะเดียแบติกขึ้นอยู่กับมวลอิเล็กตรอนและนิวเคลียสที่ลดลง อย่างไวเป็นพิเศษ ดังนั้นความถี่สนามเดียวกันจึงนำไปสู่การกระตุ้นแพ็กเก็ตคลื่นโทรจันหรือแอนติโทรจันขึ้นอยู่กับไอโซโทป^{[ 19 ]} ในทางทฤษฎี แพ็กเก็ตคลื่นโทรจันและ โมเมนต์ไดโพลไฟฟ้าหมุนขนาดใหญ่ของพวกมันสามารถเลื่อนเฟสและแยกลำแสงอะตอมในเกรเดียนต์ของสนามไฟฟ้าในลักษณะที่คล้ายคลึงกับการทดลองของสเติร์น-เกอร์แลค ${\displaystyle \pi }$

แม้ว่าโดยปกติแล้วไอโซโทปของธาตุชนิดเดียวกันจะถูกอธิบายว่ามีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่ความจริงแล้วไม่เป็นเช่นนั้นเสมอไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาจะได้รับผลกระทบจากมวลอะตอมเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

เทคนิคนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับอะตอมเบา เช่น ไฮโดรเจน ไอโซโทปที่เบากว่ามักจะทำปฏิกิริยาหรือระเหยได้เร็วกว่าไอโซโทปที่หนักกว่า ทำให้สามารถแยกออกจากกันได้ นี่คือวิธีการผลิตน้ำหนักเบา ในเชิงพาณิชย์ ดูรายละเอียดได้ใน กระบวนการผลิตซัลไฟด์ของเกิร์ดเลอร์ไอโซโทปที่เบากว่ายังแตกตัวได้เร็วกว่าภายใต้สนามไฟฟ้า กระบวนการนี้ในรูปแบบอนุกรม ขนาดใหญ่ ถูกนำมาใช้ในโรงงานผลิตน้ำหนักเบาที่เมืองรยูคาน

หนึ่งในตัวเลือกสำหรับผลกระทบไอโซโทปจลน์ ที่ใหญ่ที่สุด เท่าที่เคยมีการวัดที่อุณหภูมิห้อง คือ 305 ซึ่งในอนาคตอาจนำไปใช้ในการแยกทริเทียม (T) ได้ ผลกระทบสำหรับการออกซิเดชันของ แอนไอออนฟอร์เม ต ที่มีทริเทียม เป็น HTO ได้รับการวัดดังนี้:

k(HCO 2 − ) = 9.54 M −1 s −1	k(H)/k(D) = 38
k(DCO 2 − ) = 9.54 M −1 s −1	k(D)/k(T) = 8.1
k(TCO 2 − ) = 9.54 M −1 s −1	k(H)/k(T) = 305

ไอโซโทปของไฮโดรเจน คาร์บอน ออกซิเจน และไนโตรเจน สามารถเพิ่มความเข้มข้นได้โดยการกลั่นสารประกอบเบาที่เหมาะสมผ่านคอลัมน์ ยาว ปัจจัยการแยกคืออัตราส่วนของความดันไอของโมเลกุลไอโซโทปสองชนิด ในสภาวะสมดุล การแยกดังกล่าวจะเกิดขึ้นที่แต่ละแผ่นทฤษฎีของคอลัมน์ และจะถูกคูณด้วยปัจจัยเดียวกันในขั้นตอนถัดไป (ที่แผ่นถัดไป) เนื่องจากปัจจัยการแยกขั้นพื้นฐานมีขนาดเล็ก จึงจำเป็นต้องใช้แผ่นดังกล่าวจำนวนมาก ซึ่งต้องใช้ความสูงของคอลัมน์ทั้งหมด 20 ถึง 300 เมตร

ความดันไอที่ต่ำกว่าของโมเลกุลที่หนักกว่านั้นเกิดจากพลังงานการระเหย ที่สูงกว่า ซึ่งเป็นผลมาจากพลังงานการสั่นสะเทือนศูนย์จุดที่ต่ำกว่าในศักยภาพระหว่างโมเลกุล ตามที่คาดไว้จากสูตรสำหรับความดันไอ อัตราส่วนจะเอื้ออำนวยมากขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่า (ความดันต่ำกว่า) อัตราส่วนความดันไอสำหรับ H₂O _ต่อ D₂O _คือ 1.055 ที่ 50 °C (123 mbar) และ 1.026 ที่ 100 °C (1013 mbar) สำหรับ12CO ต่อ^13COคือ^1.007ใกล้จุดเดือดปกติ (81.6 K) และ 1.003 สำหรับ_12CH₄ ^ต่อ 13CH₄ _ใกล้^111.7 K (จุดเดือด) ^{[ 20 ]}

การ เสริมสมรรถนะ ^13Cโดยการกลั่น ( ไครโอเจนิก ) ได้รับการพัฒนาในช่วงปลายทศวรรษ 1960 โดยนักวิทยาศาสตร์ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลาโมส^{[ 21 ] [ 22 ]}ยังคงเป็นวิธีการที่นิยมใช้ใน การเสริมสมรรถนะ ^13Cการเสริมสมรรถนะดิวเทอเรียมโดยการกลั่นน้ำจะทำได้ก็ต่อเมื่อมีการเสริมสมรรถนะล่วงหน้าด้วยกระบวนการ (การแลกเปลี่ยนทางเคมี) ที่ต้องการพลังงานต่ำกว่า^{[ 23 ]}การเริ่มต้นด้วยความอุดมสมบูรณ์ตามธรรมชาติที่ต่ำ (0.015% D) จะต้องระเหยน้ำในปริมาณมากเกินไป

หน่วยงานแยกส่วน (SWU) เป็นหน่วยที่ซับซ้อน ซึ่งเป็นฟังก์ชันของปริมาณยูเรเนียมที่ผ่านกระบวนการและระดับการเสริมสมรรถนะ กล่าวคือระดับการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของไอโซโทป U-235 เมื่อเทียบกับส่วนที่เหลือ

หน่วยที่ใช้คือกิโลกรัมหน่วยงานแยก (kesil separative work unit ) ซึ่งใช้วัดปริมาณงานแยก (บ่งชี้ถึงพลังงานที่ใช้ในการเพิ่มความเข้มข้น) เมื่อปริมาณวัตถุดิบและผลิตภัณฑ์แสดงในหน่วยกิโลกรัม ความพยายามที่ใช้ในการแยกมวลFของวัตถุดิบที่มีความเข้มข้นxfออกเป็นมวลPของผลิตภัณฑ์ที่มีความเข้มข้น xp และของเสียที่มีมวลWและความเข้มข้นxwจะแสดงในรูปของจำนวนหน่วยงานแยกที่ต้องการ โดยใช้สูตร SWU = WV ( xw ) + PV ( xp ) - FV ( xf ) โดยที่V ( x ) คือ "ฟังก์ชันค่า" ซึ่งกำหนดเป็นV ( x ) = (1 - 2 x ) ln ((1 - x ) / x )

งานแยกส่วนแสดงเป็นหน่วย SWU, kg SW หรือ kg UTA (จากภาษาเยอรมันUrantrennarbeit )

• 1 SWU = 1 กก. SW = 1 กก. UTA
• 1 kSWU = 1.0 t SW = 1 t UTA
• 1 MSWU = 1 kt SW = 1 kt UTA

ตัวอย่างเช่น หากใช้ยูเรเนียมธรรมชาติ 100 กิโลกรัม (220 ปอนด์) จะต้องใช้ SWU ประมาณ 60 หน่วย เพื่อผลิตยูเรเนียมเสริมสมรรถนะ U-235 ให้มีความเข้มข้น 4.5% จำนวน 10 กิโลกรัม (22 ปอนด์)

ลำแสงกัมมันตรังสีของไอโซโทปเฉพาะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาฟิสิกส์เชิงทดลอง ชีววิทยา และวิทยาศาสตร์วัสดุ การผลิตและการก่อตัวของอะตอมกัมมันตรังสีเหล่านี้ให้กลายเป็นลำแสงไอออนเพื่อการศึกษาเป็นสาขาการวิจัยขนาดใหญ่ที่ดำเนินการในห้องปฏิบัติการหลายแห่งทั่วโลก เครื่องแยกไอโซโทปเครื่องแรกได้รับการพัฒนาขึ้นที่เครื่องเร่งอนุภาคไซโคลตรอนโคเปนเฮเกนโดยบอร์และคณะ โดยใช้หลักการแยกด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ปัจจุบันมีห้องปฏิบัติการหลายแห่งทั่วโลกที่จัดหาลำแสงไอออนกัมมันตรังสีเพื่อการใช้งาน

อาจกล่าวได้ว่า เครื่องแยกไอโซโทปแบบออนไลน์ (ISOL)หลักคือ ISOLDE ที่ CERN ^{[ 24 ]}ซึ่งเป็นสิ่งอำนวยความสะดวกร่วมของยุโรปที่กระจายอยู่ทั่วชายแดนฝรั่งเศส-สวิตเซอร์แลนด์ใกล้เมืองเจนีวา ห้องปฏิบัติการนี้ใช้การแตกตัวของโปรตอนเป็นหลักกับเป้าหมายยูเรเนียมคาร์ไบด์เพื่อผลิตชิ้นส่วนฟิสชันกัมมันตรังสีหลากหลายชนิดที่ไม่พบตามธรรมชาติบนโลก ในระหว่างการแตกตัว (การระดมยิงด้วยโปรตอนพลังงานสูง) เป้าหมายยูเรเนียมคาร์ไบด์จะถูกทำให้ร้อนถึงหลายพันองศาเพื่อให้ปล่อยอะตอมกัมมันตรังสีที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์ออกมา

เมื่อออกจากเป้าหมายแล้ว ไอระเหยของอะตอมกัมมันตรังสีจะเคลื่อนที่ไปยังโพรงไอออนไนเซอร์ โพรงไอออนไนเซอร์นี้เป็นท่อบางๆ ที่ทำจากโลหะทนความร้อนสูงซึ่งมีค่าฟังก์ชันงาน สูง ทำให้เกิดการชนกับผนังเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวจากอะตอมอิสระ ( ปรากฏการณ์ ไอออนไนเซชันที่พื้นผิว ) เมื่อไอออนไนซ์แล้ว สารกัมมันตรังสีจะถูกเร่งความเร็วโดยสนามไฟฟ้าสถิตและถูกฉีดเข้าไปในตัวแยกแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจากไอออนที่เข้าสู่ตัวแยกมีพลังงานใกล้เคียงกัน ไอออนที่มีมวลน้อยกว่าจะถูกเบี่ยงเบนโดยสนามแม่เหล็กมากกว่าไอออนที่มีมวลมากกว่า รัศมีโค้งที่แตกต่างกันนี้ทำให้เกิดการทำให้บริสุทธิ์แบบไอโซบาริกได้

เมื่อทำให้บริสุทธิ์ด้วยความดันคงที่แล้ว ลำแสงไอออนจะถูกส่งไปยังการทดลองแต่ละครั้ง เพื่อเพิ่มความบริสุทธิ์ของลำแสงไอโซบาริก สามารถใช้เลเซอร์ไอออนไนเซชันภายในโพรงไอออนไนเซอร์เพื่อไอออนไนซ์เฉพาะสายโซ่ธาตุที่สนใจได้ ที่ CERN อุปกรณ์นี้เรียกว่าแหล่งกำเนิดไอออนเลเซอร์ไอออนไนเซชันแบบเรโซแนนซ์ (RILIS) ^{[ 25 ]}ปัจจุบันการทดลองมากกว่า 60% เลือกใช้ RILIS เพื่อเพิ่มความบริสุทธิ์ของลำแสงกัมมันตรังสี

เนื่องจากการผลิตอะตอมกัมมันตรังสีด้วยเทคนิค ISOL ขึ้นอยู่กับเคมีของอะตอมอิสระของธาตุที่จะศึกษา จึงมีลำแสงบางชนิดที่ไม่สามารถผลิตได้ด้วยการระดมยิงโปรตอนแบบง่ายๆ บนเป้าหมายแอคติไนด์หนา โลหะ ทนความร้อนเช่น ทังสเตนและรีเนียมจะไม่ปรากฏออกมาจากเป้าหมายแม้ในอุณหภูมิสูงเนื่องจากความดันไอต่ำ ในการผลิตลำแสงประเภทนี้ จำเป็นต้องใช้เป้าหมายที่บาง เทคนิค Ion Guide Isotope Separator On Line (IGISOL) ได้รับการพัฒนาขึ้นในปี 1981 ที่ ห้องปฏิบัติการ ไซโคลตรอน ของมหาวิทยาลัย Jyväskylä ในฟินแลนด์^{[ 26 ]}ในเทคนิคนี้ เป้าหมายยูเรเนียมบางจะถูกระดมยิงด้วยโปรตอน และผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยานิวเคลียร์จะกระเด็นออกจากเป้าหมายในสถานะที่มีประจุ อนุภาคที่กระเด็นออกมาจะถูกหยุดในเซลล์ก๊าซ จากนั้นจะออกจากเซลล์ผ่านรูเล็กๆ ที่ด้านข้างของเซลล์ ซึ่งอนุภาคเหล่านั้นจะถูกเร่งความเร็วด้วยไฟฟ้าสถิตและฉีดเข้าไปในเครื่องแยกมวล วิธีการผลิตและการสกัดนี้เกิดขึ้นในระยะเวลาที่สั้นกว่าเมื่อเทียบกับเทคนิค ISOL มาตรฐาน และสามารถศึกษาไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตสั้น (น้อยกว่ามิลลิวินาที) ได้โดยใช้ IGISOL นอกจากนี้ IGISOL ยังถูกรวมเข้ากับแหล่งกำเนิดไอออนเลเซอร์ที่ Leuven Isotope Separator On Line (LISOL) ในเบลเยียม^{[ 27 ]}โดยทั่วไปแหล่งกำเนิดเป้าหมายบางจะให้ปริมาณไอออนกัมมันตรังสีน้อยกว่าแหล่งกำเนิดเป้าหมายหนาอย่างมาก และนี่คือข้อเสียหลักของแหล่งกำเนิดเหล่านี้

เมื่อฟิสิกส์นิวเคลียร์เชิงทดลองก้าวหน้าขึ้น การศึกษาเกี่ยวกับนิวเคลียสกัมมันตรังสีที่แปลกใหม่ที่สุดก็มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ เพื่อที่จะทำเช่นนั้น จำเป็นต้องใช้เทคนิคที่สร้างสรรค์มากขึ้นในการสร้างนิวเคลียสที่มีอัตราส่วนโปรตอน/นิวตรอนที่สูงมาก ทางเลือกหนึ่งสำหรับเทคนิค ISOL ที่อธิบายไว้ในที่นี้คือ ลำแสงจากการแตกตัว (fragmentation beams) ซึ่งไอออนกัมมันตรังสีถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยาการแตกตัวบนลำแสงไอออนเสถียรความเร็วสูงที่พุ่งชนเป้าหมายบางๆ (โดยปกติจะเป็นอะตอมของเบริลเลียม) เทคนิคนี้ถูกนำมาใช้ เช่น ที่ศูนย์วิจัยลำแสงไอโซโทปหายาก (FRIB) ที่มหาวิทยาลัยมิชิแกนสเตท และที่โรงงานผลิตลำแสงไอโซโทปกัมมันตรังสี (RIBF) ที่RIKENในประเทศญี่ปุ่น

• การใช้ผลของไอโซโทปจลน์ในการหาความเข้มข้นของทริเทียม , GM Brown, TJ Meyer และคณะ, 2001
• การผลิตยูเรเนียม
• การเสริม สมรรถนะยูเรเนียม (Urenium Enrichment) เก็บถาวรเมื่อวันที่ 2 ธันวาคม 2010 ในWayback Machineจากสมาคมนิวเคลียร์โลก ( World Nuclear Association)
• บรรณานุกรมพร้อมคำอธิบายเกี่ยวกับการแยกไอโซโทปของยูเรเนียมด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จากห้องสมุดดิจิทัล Alsos