Plutonium fremstilles af uran-238. 239Pu dannes normalt i atomreaktorer ved transmutation af enkelte atomer af en af de isotoper af uran, der findes i brændselsstavene. Når et 238U-atom udsættes for neutronstråling, vil dets kerne lejlighedsvis indfange en neutron, hvorved det omdannes til 239U. Dette sker lettere med lavere kinetisk energi (da aktiveringen af 238U-fission er 6,6 MeV). 239U gennemgår derefter hurtigt to β-henfald – en emission af en elektron og en anti-neutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}}
) og efterlader en proton – det første β-henfald forvandler 239U til neptunium-239, og det andet β-henfald forvandler 239Np til 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}}}}
Spaltningsaktivitet er relativt sjælden, så selv efter en betydelig eksponering er 239Pu stadig blandet med en stor mængde 238U (og muligvis andre isotoper af uran), ilt, andre komponenter af det oprindelige materiale og spaltningsprodukter. Kun hvis brændslet har været eksponeret i et par dage i reaktoren, kan 239Pu kemisk adskilles fra resten af materialet for at give 239Pu-metal af høj renhed.
239Pu har en større sandsynlighed for fission end 235U og et større antal neutroner, der produceres pr. fissionshændelse, så det har en mindre kritisk masse. Rent 239Pu har også en rimelig lav neutronemissionshastighed som følge af spontan fission (10 fission/s-kg), hvilket gør det muligt at samle en masse, der er meget superkritisk, før en detonationskædereaktion begynder.
I praksis vil reaktorfremstillet plutonium dog uvægerligt indeholde en vis mængde 240Pu på grund af 239Pus tendens til at absorbere en ekstra neutron under produktionen. 240Pu har en høj frekvens af spontane spaltninger (415.000 fissioner/s-kg), hvilket gør det til et uønsket forurenende stof. Plutonium, der indeholder en betydelig andel af 240Pu, er derfor ikke velegnet til brug i atomvåben; det udsender neutronstråling, hvilket gør håndteringen vanskeligere, og dets tilstedeværelse kan føre til en “fizzle”, hvor der opstår en lille eksplosion, som ødelægger våbnet, men ikke forårsager fission af en betydelig del af brændslet. (I moderne kernevåben, der anvender neutrongeneratorer til initiering og fusionsforstærkning til at tilvejebringe ekstra neutroner, er det dog ikke noget problem, at der opstår en “fizzling”). Det er på grund af denne begrænsning, at plutoniumbaserede våben skal være af implosionstype snarere end af kanontype. Desuden kan 239Pu og 240Pu ikke adskilles kemisk, så det ville være nødvendigt med en dyr og vanskelig isotopseparation for at adskille dem. Våbenegnet plutonium er defineret som plutonium, der ikke indeholder mere end 7% 240Pu; dette opnås ved kun at udsætte 238U for neutronkilder i korte perioder for at minimere den producerede 240Pu.
Plutonium klassificeres efter den procentdel af det forurenende stof plutonium-240, som det indeholder:
- Supergrade 2-3%
- Våbenkvalitet 3-7%
- Brændselskvalitet 7-18%
- Reaktorkvalitet 18% eller mere
En atomreaktor, der anvendes til fremstilling af plutonium til våben, har derfor generelt et middel til at udsætte 238U for neutronstråling og til hyppigt at udskifte det bestrålede 238U med nyt 238U. En reaktor, der kører på uberiget eller moderat beriget uran, indeholder en stor mængde 238U. De fleste kommercielle kernekraftreaktorkonstruktioner kræver imidlertid, at hele reaktoren lukkes ned, ofte i flere uger, for at udskifte brændselselementerne. De producerer derfor plutonium i en blanding af isotoper, som ikke egner sig godt til våbenproduktion. En sådan reaktor kan forsynes med maskineri, der gør det muligt at anbringe 238U-kugler i nærheden af kernen og udskifte dem hyppigt, eller den kan lukkes ned hyppigt, så spredning er et problem; af denne grund inspicerer Den Internationale Atomenergiorganisation ofte godkendte reaktorer. Nogle få kommercielle kraftreaktorkonstruktioner, som f.eks. reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) og pressurized heavy water reactor (PHWR), tillader tankning uden nedlukning, og de kan udgøre en spredningsrisiko. (RBMK blev faktisk bygget af Sovjetunionen under den kolde krig, så på trods af deres tilsyneladende fredelige formål er det sandsynligt, at plutoniumproduktion var et designkriterium). I modsætning hertil kan den canadiske CANDU-reaktor med modereret tungvandsreaktor med naturligt uranbrændsel også tankes op under drift, men den forbruger normalt det meste af det 239Pu, den producerer in situ; den er således ikke blot i sagens natur mindre spredningsfremmende end de fleste reaktorer, men kan endda drives som en “actinidforbrændingsmaskine”. Den amerikanske IFR-reaktor (Integral Fast Reactor) kan også drives som “forbrændingsreaktor”, hvilket har den fordel, at den ikke ophober plutonium-242-isotopen eller de langlivede actinider, som ikke let kan brændes, undtagen i en hurtig reaktor. IFR-brændstof har også en høj andel af brændbare isotoper, mens der i CANDU er behov for et inert materiale til at fortynde brændstoffet; dette betyder, at IFR-brændstoffet kan brænde en større del af sit brændsel, før det er nødvendigt at oparbejde det igen. Det meste plutonium produceres i forskningsreaktorer eller plutoniumproduktionsreaktorer, der kaldes avlsreaktorer, fordi de producerer mere plutonium, end de bruger af brændsel; i princippet udnytter sådanne reaktorer det naturlige uran yderst effektivt. I praksis er det så vanskeligt at bygge og drive dem, at de generelt kun anvendes til produktion af plutonium. Brydereaktorer er generelt (men ikke altid) hurtige reaktorer, da hurtige neutroner er noget mere effektive til produktion af plutonium.
Plutonium-239 anvendes hyppigere i atomvåben end uran-235, da det er lettere at fremskaffe i en mængde med kritisk masse. Både plutonium-239 og uran-235 fremstilles af naturligt uran, som primært består af uran-238, men som indeholder spor af andre isotoper af uran som f.eks. uran-235. Processen med berigning af uran, dvs. forøgelse af forholdet mellem 235U og 238U til våbenkvalitet, er generelt en mere langvarig og dyr proces end fremstillingen af plutonium-239 fra 238U og den efterfølgende oparbejdning.
Supergrade plutoniumRediger
Det “supergrade” spaltningsbrændsel, som har mindre radioaktivitet, anvendes i den primære fase af US Navy atomvåben i stedet for det konventionelle plutonium, der anvendes i Air Force’s versioner. “Supergrade” er branchens udtryk for en plutoniumlegering med en usædvanlig høj fraktion af 239Pu (>95%), hvilket efterlader en meget lille mængde 240Pu, som er en høj spontan spaltningsisotop (se ovenfor). Sådant plutonium fremstilles af brændselsstave, der er blevet bestrålet i meget kort tid, målt i MW-dag/ton afbrænding. En så kort bestrålingstid begrænser mængden af yderligere neutronindfangning og dermed ophobning af alternative isotopprodukter som 240Pu i stangen, og er derfor også betydeligt dyrere at fremstille, idet der skal bestråles og behandles langt flere stænger for at opnå en given mængde plutonium.
Plutonium-240 er ud over at være en neutronemitter efter fission også en gammaemitter og er derfor ansvarlig for en stor del af strålingen fra oplagrede atomvåben. Uanset om de er ude på patrulje eller i havn, lever og arbejder ubådsbesætningsmedlemmer rutinemæssigt i meget nærhed af atomvåben, der er opbevaret i torpedorum og missilrør, i modsætning til luftvåbnets missiler, hvor eksponeringen er relativt kortvarig. Behovet for at reducere strålingseksponeringen berettiger de ekstra omkostninger ved den førsteklasses superlegering, der anvendes på mange af flådens atomvåben. Supergrade plutonium anvendes i W80-sprænghoveder.