Plutonium wird aus Uran-238 hergestellt. 239Pu wird normalerweise in Kernreaktoren durch Transmutation einzelner Atome eines der in den Brennstäben vorhandenen Uranisotope erzeugt. Wenn ein 238U-Atom Neutronenstrahlung ausgesetzt wird, fängt sein Kern gelegentlich ein Neutron ein und verwandelt sich in 239U. Dies geschieht leichter bei geringerer kinetischer Energie (die Spaltaktivierung von 238U beträgt 6,6 MeV). Das 239U durchläuft dann schnell zwei β-Zerfälle – die Emission eines Elektrons und eines Anti-Neutrinos ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
), wobei ein Proton zurückbleibt – der erste β-Zerfall wandelt das 239U in Neptunium-239 um, der zweite β-Zerfall wandelt das 239Np in 239Pu um: 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}}}
Die Spaltaktivität ist relativ selten, so dass das 239Pu selbst nach längerer Exposition immer noch mit einem großen Anteil an 238U (und möglicherweise anderen Uranisotopen), Sauerstoff, anderen Bestandteilen des ursprünglichen Materials und Spaltprodukten vermischt ist. Erst wenn der Brennstoff einige Tage im Reaktor gelagert wurde, kann das 239Pu chemisch vom Rest des Materials getrennt werden, um hochreines 239Pu-Metall zu erhalten.
239Pu hat eine höhere Wahrscheinlichkeit für eine Spaltung als 235U und eine größere Anzahl von Neutronen, die pro Spaltvorgang erzeugt werden, so dass es eine kleinere kritische Masse hat. Reines 239Pu hat auch eine relativ niedrige Neutronenemissionsrate durch Spontanspaltung (10 Spaltungen/kg), so dass es möglich ist, eine hochgradig überkritische Masse aufzubauen, bevor eine Detonationskettenreaktion einsetzt.
In der Praxis wird reaktorgezüchtetes Plutonium jedoch unweigerlich einen gewissen Anteil an 240Pu enthalten, da 239Pu dazu neigt, während der Produktion ein zusätzliches Neutron zu absorbieren. 240Pu hat eine hohe Rate an spontanen Spaltungsereignissen (415.000 Spaltungen pro kg), was es zu einer unerwünschten Verunreinigung macht. Daher ist Plutonium, das einen erheblichen Anteil an 240Pu enthält, für den Einsatz in Kernwaffen nicht gut geeignet; es emittiert Neutronenstrahlung, was die Handhabung erschwert, und sein Vorhandensein kann zu einem „Zischen“ führen, bei dem es zu einer kleinen Explosion kommt, die die Waffe zerstört, aber keine Spaltung eines wesentlichen Teils des Brennstoffs verursacht. (Bei modernen Kernwaffen, die Neutronengeneratoren zur Zündung und Fusionsverstärkung zur Lieferung zusätzlicher Neutronen verwenden, ist das Zischen jedoch kein Problem). Aufgrund dieser Einschränkung müssen Waffen auf Plutoniumbasis als Implosionswaffen und nicht als Kanonenwaffen konzipiert sein. Außerdem lassen sich 239Pu und 240Pu chemisch nicht voneinander unterscheiden, so dass eine teure und schwierige Isotopentrennung erforderlich wäre, um sie zu trennen. Waffenfähiges Plutonium darf nicht mehr als 7 % 240Pu enthalten; dies wird dadurch erreicht, dass 238U nur für kurze Zeit Neutronenquellen ausgesetzt wird, um den Anteil von 240Pu zu minimieren.
Plutonium wird nach dem prozentualen Anteil des verunreinigenden Plutonium-240 klassifiziert, den es enthält:
- Supergrade 2-3%
- Weapons grade 3-7%
- Fuel grade 7-18%
- Reactor grade 18% oder mehr
Ein Kernreaktor, der zur Herstellung von Plutonium für Waffen verwendet wird, verfügt daher im Allgemeinen über eine Vorrichtung, um 238U einer Neutronenstrahlung auszusetzen und das bestrahlte 238U häufig durch neues 238U zu ersetzen. Ein Reaktor, der mit unangereichertem oder mäßig angereichertem Uran betrieben wird, enthält viel 238U. Bei den meisten kommerziellen Kernreaktorkonzepten muss jedoch der gesamte Reaktor – oft wochenlang – abgeschaltet werden, um die Brennelemente zu wechseln. Sie produzieren daher Plutonium in einer Isotopenmischung, die für den Bau von Waffen nicht gut geeignet ist. Ein solcher Reaktor könnte mit einer Anlage ausgestattet werden, die es ermöglicht, 238U-Brennelemente in der Nähe des Kerns zu platzieren und häufig auszutauschen, oder er könnte häufig abgeschaltet werden, so dass die Verbreitung von Plutonium ein Problem darstellt. Einige wenige kommerzielle Leistungsreaktoren, wie der Reaktor Bolshoy Moschnosti Kanalniy (RBMK) und der Druckwasserreaktor (PHWR), ermöglichen das Nachfüllen von Brennelementen ohne Abschaltung und können ein Proliferationsrisiko darstellen. (Tatsächlich wurde der RBMK während des Kalten Krieges von der Sowjetunion gebaut, so dass es trotz des angeblich friedlichen Zwecks wahrscheinlich ist, dass die Plutoniumproduktion ein Konstruktionskriterium war). Im Gegensatz dazu kann der kanadische moderierte Schwerwasserreaktor CANDU, der mit Natururan befeuert wird, auch während des Betriebs nachgefüllt werden, aber er verbraucht normalerweise den größten Teil des von ihm produzierten 239Pu an Ort und Stelle; daher ist er nicht nur von Natur aus weniger proliferativ als die meisten Reaktoren, sondern kann sogar als „Aktinidenverbrennungsanlage“ betrieben werden. Der amerikanische IFR (Integral Fast Reactor) kann ebenfalls im „Verbrennungsmodus“ betrieben werden, was den Vorteil hat, dass er weder das Isotop Plutonium-242 noch die langlebigen Aktiniden anreichert, die nur in einem schnellen Reaktor leicht verbrannt werden können. Außerdem hat der IFR-Brennstoff einen hohen Anteil an brennbaren Isotopen, während beim CANDU ein inertes Material zur Verdünnung des Brennstoffs benötigt wird; dies bedeutet, dass der IFR einen höheren Anteil seines Brennstoffs verbrennen kann, bevor eine Wiederaufbereitung erforderlich ist. Das meiste Plutonium wird in Forschungsreaktoren oder Plutoniumproduktionsreaktoren, so genannten Brutreaktoren, erzeugt, da sie mehr Plutonium produzieren als sie Brennstoff verbrauchen; im Prinzip nutzen solche Reaktoren das Natururan äußerst effizient. In der Praxis ist ihr Bau und Betrieb so schwierig, dass sie im Allgemeinen nur zur Plutoniumproduktion eingesetzt werden. Brutreaktoren sind im Allgemeinen (aber nicht immer) schnelle Reaktoren, da schnelle Neutronen bei der Plutoniumproduktion etwas effizienter sind.
Plutonium-239 wird häufiger in Kernwaffen verwendet als Uran-235, da es leichter in einer Menge von kritischer Masse zu erhalten ist. Sowohl Plutonium-239 als auch Uran-235 werden aus Natururan gewonnen, das hauptsächlich aus Uran-238 besteht, aber auch Spuren anderer Uranisotope wie Uran-235 enthält. Die Anreicherung von Uran, d.h. die Erhöhung des Verhältnisses von 235U zu 238U auf Waffenqualität, ist im Allgemeinen ein langwierigerer und kostspieligerer Prozess als die Herstellung von Plutonium-239 aus 238U und die anschließende Wiederaufbereitung.
Supergrade-PlutoniumEdit
Der „supergrade“-Spaltbrennstoff, der eine geringere Radioaktivität aufweist, wird in der Primärstufe von Kernwaffen der US Navy anstelle des konventionellen Plutoniums verwendet, das in den Versionen der Air Force eingesetzt wird. „Supergrade“ ist ein Industriebegriff für eine Plutoniumlegierung mit einem außergewöhnlich hohen Anteil an 239Pu (>95%), so dass nur ein sehr geringer Anteil an 240Pu verbleibt, einem Isotop mit hoher Spontanspaltung (siehe oben). Dieses Plutonium wird aus Brennstäben erzeugt, die nur sehr kurz bestrahlt wurden, gemessen in MW-Tagen/Tonne Abbrand. Solch kurze Bestrahlungszeiten begrenzen die Menge an zusätzlichem Neutroneneinfang und damit die Bildung alternativer Isotopenprodukte wie 240Pu in den Stäben. Außerdem ist die Herstellung erheblich teurer, da für eine bestimmte Plutoniummenge weitaus mehr Stäbe bestrahlt und verarbeitet werden müssen.
Plutonium-240 ist nicht nur ein Neutronenstrahler nach der Spaltung, sondern auch ein Gammastrahler und damit für einen großen Teil der Strahlung von gelagerten Kernwaffen verantwortlich. Ob auf Patrouille oder im Hafen, die Mitglieder der U-Boot-Besatzung leben und arbeiten routinemäßig in unmittelbarer Nähe von Kernwaffen, die in Torpedoräumen und Raketenrohren gelagert sind, im Gegensatz zu den Raketen der Luftwaffe, bei denen die Exposition relativ kurz ist. Die Notwendigkeit, die Strahlenbelastung zu verringern, rechtfertigt die zusätzlichen Kosten für die hochwertige Supergrade-Legierung, die bei vielen Marinewaffen verwendet wird. Hochwertiges Plutonium wird in W80-Sprengköpfen verwendet.