Plutonium se vyrábí z uranu 238. 239Pu obvykle vzniká v jaderných reaktorech transmutací jednotlivých atomů jednoho z izotopů uranu přítomných v palivových tyčích. Příležitostně, když je atom 238U vystaven neutronovému záření, zachytí jeho jádro neutron a změní se na 239U. K tomu dochází snadněji při nižší kinetické energii (protože aktivace štěpení 238U je 6,6MeV). 239U pak rychle projde dvěma β-rozpady – emisí elektronu a antineutrina ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
), přičemž zanechá proton – první β-rozpad přemění 239U na neptunium-239 a druhý β-rozpad přemění 239Np na 239Pu: U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23,5 min β – Np 93 239 → 2.356 d β – Pu 94 239 {\displaystyle {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {}^{239}_{93}Np -> {}^{239}_{94}Pu}}}}
Štěpná aktivita je poměrně vzácná, takže i po značné expozici je 239Pu stále smíšen s velkým množstvím 238U (a případně dalších izotopů uranu), kyslíku, dalších složek původního materiálu a štěpných produktů. Pouze pokud bylo palivo několik dní vystaveno působení v reaktoru, lze 239Pu chemicky oddělit od zbytku materiálu a získat tak vysoce čistý kov 239Pu.
239Pu má vyšší pravděpodobnost štěpení než 235U a větší počet neutronů vzniklých na jednu štěpnou událost, takže má menší kritickou hmotnost. Čisté 239Pu má také poměrně nízkou míru emise neutronů v důsledku spontánního štěpení (10 štěpení/s-kg), takže je možné sestavit hmotu, která je vysoce nadkritická před zahájením detonační řetězové reakce.
V praxi však bude plutonium chované v reaktoru nevyhnutelně obsahovat určité množství 240Pu kvůli tendenci 239Pu absorbovat během výroby další neutron. 240Pu má vysokou rychlost spontánního štěpení (415 000 štěpení/s-kg), což z něj činí nežádoucí kontaminant. V důsledku toho není plutonium obsahující významný podíl 240Pu vhodné pro použití v jaderných zbraních; vyzařuje neutronové záření, což ztěžuje manipulaci, a jeho přítomnost může vést k „šumění“, při němž dojde k malé explozi, která zničí zbraň, ale nezpůsobí štěpení významné části paliva. (V moderních jaderných zbraních využívajících k iniciaci neutronové generátory a k dodávce dodatečných neutronů fúzní boostery však fizzling nepředstavuje problém.) Právě kvůli tomuto omezení musí být zbraně na bázi plutonia spíše implozní než dělové. Navíc 239Pu a 240Pu nelze chemicky rozlišit, takže k jejich oddělení by byla nutná nákladná a náročná separace izotopů. Plutonium vhodné pro výrobu zbraní je definováno jako plutonium, které neobsahuje více než 7 % 240Pu; toho se dosahuje pouze krátkodobým vystavením 238U neutronovým zdrojům, aby se minimalizoval vznik 240Pu.
Plutonium se klasifikuje podle procenta kontaminantu plutonia-240, které obsahuje:
- Supergrade 2-3%
- Zbrojní třída 3-7%
- Palivová třída 7-18%
- Reaktorová třída 18% nebo více
Jaderný reaktor, který se používá k výrobě plutonia pro zbraně, má proto obvykle prostředky pro vystavení 238U neutronovému záření a pro častou výměnu ozářeného 238U za nový 238U. Reaktor pracující s neobohaceným nebo středně obohaceným uranem obsahuje velké množství 238U. Většina konstrukcí komerčních jaderných reaktorů však vyžaduje odstavení celého reaktoru, často na několik týdnů, aby bylo možné vyměnit palivové články. Proto produkují plutonium ve směsi izotopů, která není vhodná pro výrobu zbraní. Takový reaktor by mohl být doplněn zařízením, které by umožňovalo umístit do blízkosti aktivní zóny a často měnit střely 238U, nebo by mohl být často odstavován, takže vzniká obava z šíření jaderného paliva; z tohoto důvodu Mezinárodní agentura pro atomovou energii často kontroluje licencované reaktory. Několik konstrukcí komerčních energetických reaktorů, jako je reaktor moshchnosti kanalniy (RBMK) a tlakovodní těžkovodní reaktor (PHWR), umožňuje doplňování paliva bez odstávek a mohou představovat riziko šíření jaderných zbraní. (RBMK byl ve skutečnosti postaven Sovětským svazem během studené války, takže navzdory jejich zdánlivě mírovému účelu je pravděpodobné, že výroba plutonia byla jedním z konstrukčních kritérií). Naproti tomu kanadský těžkovodní moderovaný reaktor CANDU s přírodním uranovým palivem lze za provozu rovněž doplňovat, ale většinu vyrobeného 239Pu obvykle spotřebuje in situ; je tedy nejen ze své podstaty méně proliferační než většina reaktorů, ale lze jej dokonce provozovat jako „spalovnu aktinidů“. Americký rychlý reaktor IFR (Integral Fast Reactor) lze rovněž provozovat ve „spalovacím režimu“, který má určité výhody v tom, že nehromadí izotop plutonia-242 ani dlouho žijící aktinidy, které nelze snadno spálit jinak než v rychlém reaktoru. Také palivo IFR má vysoký podíl spalitelných izotopů, zatímco u CANDU je k ředění paliva zapotřebí inertní materiál; to znamená, že IFR může spálit větší část paliva, než je třeba jej přepracovat. Většina plutonia se vyrábí ve výzkumných reaktorech nebo v reaktorech na výrobu plutonia nazývaných množivé reaktory, protože produkují více plutonia, než spotřebují paliva; tyto reaktory v zásadě mimořádně efektivně využívají přírodní uran. V praxi je jejich konstrukce a provoz natolik náročný, že se zpravidla používají pouze k výrobě plutonia. Urychlovací reaktory jsou zpravidla (ale ne vždy) reaktory rychlé, protože rychlé neutrony jsou při výrobě plutonia poněkud účinnější.
Plutonium-239 se v jaderných zbraních používá častěji než uran-235, protože se snáze získává v množství kritické hmotnosti. Jak plutonium-239, tak uran-235 se získávají z přírodního uranu, který se skládá především z uranu-238, ale obsahuje stopy dalších izotopů uranu, například uranu-235. Proces obohacování uranu, tj. zvyšování poměru 235U a 238U na kvalitu pro výrobu zbraní, je obecně zdlouhavější a nákladnější proces než výroba plutonia-239 z 238U a následné přepracování.
Supergrade plutoniumEdit
„Supergrade“ štěpné palivo, které má nižší radioaktivitu, se používá v primární fázi jaderných zbraní amerického námořnictva místo konvenčního plutonia používaného ve verzích letectva. „Supergrade“ je průmyslový výraz pro slitinu plutonia obsahující mimořádně vysoký podíl 239Pu (>95 %), přičemž zůstává velmi nízké množství 240Pu, což je izotop s vysokým podílem samovolného štěpení (viz výše). Takové plutonium se vyrábí z palivových tyčí, které byly ozařovány velmi krátkou dobu, měřeno v přepočtu na MW den/tunu vyhoření. Takto nízká doba ozařování omezuje množství dodatečného záchytu neutronů, a tedy hromadění produktů alternativních izotopů, jako je 240Pu, v palivové tyči, a v důsledku toho je také podstatně dražší na výrobu, neboť pro dané množství plutonia je třeba ozářit a zpracovat mnohem více tyčí.
Plutonium-240 je kromě toho, že je emitorem neutronů po štěpení, také emitorem gama záření, a je tedy zodpovědné za velkou část záření z uložených jaderných zbraní. Ať už na hlídce nebo v přístavu, členové posádek ponorek běžně žijí a pracují ve velmi těsné blízkosti jaderných zbraní uložených v torpédometech a raketových kanálech, na rozdíl od raket letectva, kde je ozáření relativně krátké. Potřeba snížit vystavení radiaci ospravedlňuje dodatečné náklady na prvotřídní slitinu supergrade, která se používá na mnoha námořních jaderných zbraních. Superkvalitní plutonium se používá v hlavicích W80.