Isotopen

Een isotoop is een alternatieve versie van een element, met een ander aantal neutronen in de kern. Neutronen hebben geen electrische lading en moeten dus niet gecompenseerd worden door het aantal electronen. De neutronen bepalen echter de stabiliteit van de kern: de kern is niet stabiel bij bepaalde combinaties neutronen/protonen: de kern kan spontaan uiteenvallen, dit is de natuurlijke radioactiviteit van bepaalde elementen (en meer bepaald van bepaalde isotopen van het element).

Omdat het aantal electronen van de isotopen identiek is, hebben ze dezelfde schekundige eigenschappen en kunnen niet afgescheiden worden door scheikundige middelen. Een element is doorgaans een mix van verschillende isotopen.

Kernsplijting en kettingreactie

Bij een kernsplijting ontstaan er een paar vrije neutronen, die andere atomen kunnen raken, en dus ook kernsplijtingen veroorzaken. Als er voldoende splijtbaar materiaal aanwezig is, kan er een kettinngreactie ontstaan. Bepaalde elementen slurpen neutronen op, maar splijten niet (zoals boor), andere elementen vertragen de neutronen zodat ze meer efficient worden (zoals grafiet, die een moderator is). Water neemt zowel neutronen op, en vertraagt de andere neutronen (neutronenvergif en moderator). Zwaar water (zie verder) is enken een moderator.

Uranium moet eerst verrijkt worden in U235. Dit kan echter niet gebeuren gebaseerd op de scheikundige eigenschappen van de isotopen, want die zijn identiek. Men baseert zich op het verschil in massa. Tussen U238 en U235 is er een massaverschil van 0.4%. Dit is zeer weinig, maar dit is de enige manier om de isotopen te scheiden.

Gascentrifuges

Verrijkt uranium voor gebruik in kerncentrales heeft doorgaans een concentratie van 4% U235; dit is voldoende om gebruikt te worden in een kernreactor. Uranium voor kernbommen heeft een concentratie nodig van meer dan 90% U235. Deze hoge concentratie is nodig, omdat de kettingreacties heel snel moeten verlopen, voordat de elementen door de ontploffing verspreid worden.

Verarmd uranium heeft een zeer hoge massa en wordt daarom gebruikt voor de bepansering van bepaalde legertanks en ook als munitie in pantserdoordringende projectielen. Uranium in poedervorm of splinters heeft zelf-ontbrandende eigenschappen (zoals aluminium en magnesium) en is daarom ook zeer geschikt in projectielen.

Zwaar water in plaats van verrijking

Deuterium (om zwaar water te maken) is echter een isotoop van waterstof. Deuterium is een stabiel isotoop, die zeer weinig aanwezig is in de natuur (0.015% ten opzichte van waterstof), maar de scheiding heeft een hoger rendement omdat de massa van waterstof en deuterum sterk verschillend is. Zwaar water werd in Noorwegen gefabriceerd tijdens de tweede wereldoorlog, maar door de opeenvolgende bombardementen kon de produktie nooit echt op kruissnelheid komen.

Stuxnet

Om een hoge rotatiesnelheid te bekomen moet de motor aangestuurd worden met een VFD (variable frequency drive) die een frekwentie van meer dan 1000Hz genereert. Er kunnen resonanties optreden in de langwerpige centrifuges, daarom moet de nominale snelheid zo snel mogelijk bereikt worden.

Iran heeft ook verrijkingsinstallaties, maar haalt tot nu toe maar een verrijkingsniveau van 5%, te laag om kernwapens te maken. Maar voor de zelerheid werden de installaties beschadigd door een computervirus. De software werd door de Verenigde Staten geschreven, waarschijnlijk geholpen door Israel.

Het computervirus plant zich voort in windows computernetwerken en besmet uiteindelijk de PLC's die de motoren sturen (Siemens Simatic). Het virus die in de PLC's gedownload werd controleert de parameters van de installatie, en als er motoren aan hoge snelheden gestuurd worden (typisch voor centrifuges), dan gaat de software de snelheid op regelmatige tijdstippen opvoeren en verlagen, de bedoeling is dat de resonanties uiteindelijk de centrifuges vernietigen, wat ook effektief gebeurd is (een deel van de installaties was na een paar dagen onbruikbaar).

De bedoeling was hier niet alle centrifuges in één keer te vernietigen (er waren 4000 centrifuges in werking en Iran had er 5000 in reserve). Zo'n ingreep zo direct opvallen. De bedoeling was het aantal defekten te verhogen, zodat de productie regelmatig onderbroken moest orden.