Uranium yang diperkaya adalah uranium dengan persentase tinggi dari isotop U-235, yang hanya menyusun sekitar 72% dari uranium alam. Uranium normal disebut sebagai U-238, di mana angka tersebut menunjukkan jumlah nukleon (proton dan neutron) dalam inti atomnya. U-235 memiliki jumlah proton dan neutron yang tidak merata, membuatnya sedikit tidak stabil dan rentan terhadap fisi (pembelahan) dari neutron termal. Mendapatkan proses fisi untuk melanjutkan sebagai reaksi berantai adalah dasar dari energi nuklir dan senjata nuklir.
Karena U-235 memiliki sifat kimia yang identik dengan uranium normal dan hanya 1.26% lebih ringan, memisahkan keduanya bisa menjadi tantangan tersendiri. Prosesnya biasanya cukup intensif energi dan mahal, itulah sebabnya hanya beberapa negara yang mampu mencapai skala industri sejauh ini. Untuk membuat uranium tingkat reaktor, diperlukan persentase U-235 3-4%, sedangkan uranium tingkat senjata harus terdiri dari 90% U-235 atau lebih. Setidaknya ada sembilan teknik untuk pemisahan uranium, meskipun beberapa pasti bekerja lebih baik daripada yang lain.
Selama Perang Dunia II, Amerika Serikat, ketika para peneliti pertama kali mengejar pemisahan isotop, serangkaian teknik digunakan. Tahap pertama terdiri dari difusi termal. Dengan memperkenalkan gradien suhu yang tipis, para ilmuwan dapat membujuk partikel U-235 yang lebih ringan menuju daerah panas, dan molekul U-238 yang lebih berat menuju daerah yang lebih dingin. Ini hanya persiapan bahan pakan untuk tahap selanjutnya, pemisahan isotop elektromagnetik.
Pemisahan isotop elektromagnetik melibatkan penguapan uranium dan kemudian mengionisasinya untuk menghasilkan ion dengan muatan positif. Uranium terionisasi kemudian dipercepat di bengkok oleh medan magnet yang kuat. Atom U-235 yang lebih ringan dibelokkan sedikit lebih banyak, sedangkan atom U-238 sedikit lebih sedikit. Dengan mengulangi proses ini berkali-kali, uranium bisa diperkaya. Teknik ini digunakan untuk membuat beberapa uranium yang diperkaya untuk bom Little Boy, yang menghancurkan Hiroshima.
Selama Perang Dingin, pemisahan isotop elektromagnetik ditinggalkan demi teknik pengayaan difusi gas. Pendekatan ini mendorong gas uranium heksafluorida melalui membran semi-permeabel, yang sedikit memisahkan dua isotop satu sama lain. Seperti teknik sebelumnya, proses ini perlu dilakukan berkali-kali untuk mengisolasi sejumlah besar U-235.
Teknik pengayaan modern menggunakan sentrifugal. Atom U-235 yang lebih ringan sedikit lebih disukai didorong ke arah dinding luar sentrifugal, memusatkannya di mana mereka dapat diekstraksi. Seperti semua teknik lainnya, itu harus dilakukan berkali-kali agar berhasil. Sistem lengkap yang memurnikan uranium dengan cara ini menggunakan banyak sentrifugal dan disebut kaskade sentrifugal. Centrifuge Zippe adalah varian yang lebih maju dari centrifuge tradisional yang memanfaatkan panas serta gaya sentrifugal untuk memisahkan isotop.
Teknik lain dari pemisahan uranium termasuk proses aerodinamis, berbagai metode pemisahan laser, pemisahan plasma, dan teknik kimia, yang memanfaatkan perbedaan yang sangat kecil dalam kecenderungan dua isotop untuk mengubah valensi dalam reaksi oksidasi/reduksi.