核燃料循环中的能量载体
铀在核能中的核心用途建立在²³⁵U的热中子裂变特性上。天然铀中²³⁸U占99.274%，²³⁵U占0.720%，²³⁴U占0.0054%。²³⁵U吸收热中子后形成复合核并裂变，释放约200 MeV能量和2至3个中子。其反应式为：
²³⁵U + n → 裂变产物 + 2~3n + 约200 MeV
链式反应在反应堆中由控制棒、慢化剂和冷却剂调节。动力堆燃料采用UO₂陶瓷芯块，²³⁵U丰度为3%至5%。UO₂具有高熔点、辐照稳定性和与锆合金包壳的化学相容性。转化工艺中，U₃O₈经UO₂、UF₄转化为UF₆。UF₆挥发性适合气体离心分离。铀-238在快中子场中俘获中子，经β⁻衰变生成²³⁹Pu：
²³⁸U + n → ²³⁹U → β⁻ → ²³⁹Np → β⁻ → ²³⁹Pu
该路径构成增殖堆和MOX燃料的核素基础。高浓缩铀用于海军反应堆和核武器装料，低浓缩铀用于商业动力堆。
国防与高密度材料
高浓缩铀含²³⁵U 90%以上，用于核武器装料和核动力舰艇。贫铀为浓缩副产物，以²³⁸U为主，密度19.1 g/cm³，用于动能穿甲弹芯、装甲、配重和γ射线屏蔽。贫铀弹芯在高速撞击中形成绝热剪切带，弹体保持尖锐，提高穿透能力。高原子序数和高密度使铀对γ射线具有强衰减能力，用于辐射屏蔽部件。贫铀的放射毒性低于其化学毒性，操作中需控制粉尘和可溶化合物。
同位素地球化学与年代学
铀的天然同位素衰变链为地质年代学提供计时器。²³⁸U经多步衰变至²⁰⁶Pb，半衰期4.468×10⁹年；²³⁵U经衰变链至²⁰⁷Pb，半衰期7.038×10⁸年。锆石等矿物中U-Pb体系封闭后，母子体比值给出结晶年龄。铀系不平衡法利用²³⁸U与²³⁴U及子体之间的活度比，测定十万年尺度沉积和碳酸盐年龄。铀同位素还用于地下水、矿石成因和核取证溯源。
化学与材料工业
铀化合物在材料与化工中具有特定位置。UO₂是核燃料陶瓷主体；U₃O₈是铀矿石浓缩物和重量法分析基准；UF₆是同位素分离的工作介质。铀玻璃和陶瓷釉料曾用铀着色，产生黄绿色荧光，现代因辐射防护限制而缩减。铀氧化物在部分催化反应中作为活性组分，例如烃类氧化和脱氢过程。铀合金如U-Mo、U-Zr用于研究堆燃料，提高铀密度并保持辐照稳定性。后处理中，U与Pu经溶剂萃取分离，回收的铀返回转化和燃料制造。
核燃料循环与资源逻辑
铀的用途贯穿前端和后端。前端包括采矿、浸出、U₃O₈沉淀、转化、浓缩和燃料制造。后端包括乏燃料贮存、后处理或深地质处置。热堆一次通过循环仅利用²³⁵U，利用率低；闭式循环将²³⁸U转化为²³⁹Pu并制成MOX，提高资源利用率。快堆和先进燃料循环将铀-238作为主要能量资源。铀的化学形态决定工艺路线：UO₂适合燃料，UF₆适合浓缩，U₃O₈适合运输和储存。
铀的主要用途由核裂变特性、高密度和长半衰期同位素决定。这些性质将铀从矿石转化为能源、国防、年代学和材料领域的战略元素。