Plutoniumia valmistetaan uraani-238:sta. 239Pu syntyy tavallisesti ydinreaktoreissa transmutoimalla polttoainesauvoissa olevan uraanin jonkin isotoopin yksittäisiä atomeja. Joskus, kun 238U-atomi altistuu neutronisäteilylle, sen ydin vangitsee neutronin ja muuttuu 239U:ksi. Tämä tapahtuu helpommin pienemmällä liike-energialla (koska 238U:n fissioaktivaatio on 6,6 MeV). Tämän jälkeen 239U käy nopeasti läpi kaksi β- hajoamista – elektronin ja antineutriinon emissio ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}}
), jolloin jäljelle jää protoni – ensimmäinen β-hajoaminen muuttaa 239U:n neptunium-239:ksi ja toinen β-hajoaminen 239Np:n 239Pu:ksi: 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}}}}
Fissiotoiminta on suhteellisen harvinaista, joten huomattavan altistumisen jälkeenkin 239Pu sekoittuu edelleen suureen määrään 238U:ta (ja mahdollisesti muita uraanin isotooppeja), happea, muita alkuperäisen materiaalin komponentteja ja fissiotuotteita. Vasta jos polttoaine on altistunut muutaman päivän ajan reaktorissa, 239Pu voidaan kemiallisesti erottaa muusta materiaalista, jolloin saadaan erittäin puhdasta 239Pu-metallia.
239Pu:lla on suurempi todennäköisyys halkeamiselle kuin 235U:lla ja suurempi määrä neutroneita, joita syntyy yhtä halkeamistapahtumaa kohti, joten sen kriittinen massa on pienempi. Puhtaalla 239Pu:lla on myös kohtuullisen alhainen spontaanista fissiosta johtuva neutroniemissiotaajuus (10 fissiota/s-kg), joten on mahdollista koota massa, joka on erittäin ylikriittinen ennen räjähdysketjureaktion alkamista.
Käytännössä reaktorissa kasvatettu plutonium sisältää kuitenkin väistämättä jonkin verran 240Pu:ta, koska 239Pu:lla on taipumus absorboida ylimääräinen neutroni valmistuksen aikana. 240Pu:lla on suuri määrä spontaaneja fissiotapahtumia (415 000 fissiota/s-kg), mikä tekee siitä ei-toivotun epäpuhtauden. Tämän vuoksi plutonium, joka sisältää huomattavan osan 240Pu:ta, ei sovellu hyvin käytettäväksi ydinaseissa; se lähettää neutronisäteilyä, mikä vaikeuttaa sen käsittelyä, ja sen läsnäolo voi johtaa pieneen räjähdykseen, jossa tapahtuu pieni räjähdys, joka tuhoaa aseen, mutta ei aiheuta polttoaineen merkittävän osan fissiota. (Nykyaikaisissa ydinaseissa, joissa käytetään neutronigeneraattoreita laukaisuun ja fuusiovahvistusta ylimääräisten neutronien tuottamiseen, fizzling ei kuitenkaan ole ongelma). Tämän rajoituksen vuoksi plutoniumpohjaisten aseiden on oltava pikemminkin implosio- kuin tykkityyppisiä. Lisäksi 239Pu:ta ja 240Pu:ta ei voida erottaa toisistaan kemiallisesti, joten niiden erottaminen toisistaan edellyttäisi kallista ja vaikeaa isotooppierotusta. Aseeksi kelpaavan plutoniumin katsotaan sisältävän enintään 7 prosenttia 240Pu:ta; tämä saavutetaan altistamalla 238U:ta neutronilähteille vain lyhyitä aikoja, jotta syntyvän 240Pu:n määrä olisi mahdollisimman pieni.
Plutonium luokitellaan sen mukaan, kuinka monta prosenttia se sisältää saastuttavaa plutonium-240:tä:
- Superlaatu 2-3 %
- Aselaatu 3-7 %
- Polttoainelaatu 7-18 %
- Reaktorilaatu 18 % tai enemmän
Ydinreaktorissa, jota käytetään plutoniumin tuottamiseen aseita varten, on sen vuoksi tavallisesti keino, jolla 238U:ta voidaan altistaa neutronisäteilylle ja jolla voidaan korvata säteilytettyä 238U:ta usein uudella 238U:lla. Rikastamattomalla tai kohtuullisesti rikastetulla uraanilla toimiva reaktori sisältää paljon 238U:ta. Useimmissa kaupallisissa ydinreaktorimalleissa koko reaktori on kuitenkin pysäytettävä, usein viikoiksi, polttoaine-elementtien vaihtamiseksi. Näin ollen ne tuottavat plutoniumia isotooppien sekoituksena, joka ei sovellu hyvin aseiden rakentamiseen. Tällaiseen reaktoriin voitaisiin lisätä koneisto, jonka avulla 238U-luoteja voitaisiin sijoittaa ytimen lähelle ja vaihtaa usein, tai reaktori voitaisiin sammuttaa usein, joten ydinaseiden leviäminen on huolenaihe; tästä syystä Kansainvälinen atomienergiajärjestö (IAEA) tarkastaa luvan saaneet reaktorit usein. Muutamissa kaupallisissa reaktorimalleissa, kuten RBMK-reaktorissa (reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy) ja PHWR-reaktorissa (paineistettu raskasvesireaktori), polttoainetäydennykset ovat mahdollisia ilman seisokkeja, ja ne voivat aiheuttaa joukkotuhoaseiden leviämisriskin. (Itse asiassa Neuvostoliitto rakensi RBMK:n kylmän sodan aikana, joten niiden näennäisesti rauhanomaisesta käyttötarkoituksesta huolimatta on todennäköistä, että plutoniumin tuotanto oli yksi suunnitteluperusteista). Sitä vastoin kanadalainen raskasvesimoderoiduilla luonnonuraanipolttoaineilla toimiva CANDU-reaktori voidaan myös tankata käytön aikana, mutta se kuluttaa tavallisesti suurimman osan tuottamastaan 239Pu:sta paikan päällä; näin ollen se on luonnostaan vähemmän proliferatiivinen kuin useimmat reaktorit, ja sitä voidaan käyttää jopa ”aktinidipolttolaitoksena”. Myös amerikkalaista IFR-reaktoria (Integral Fast Reactor) voidaan käyttää ”polttomoodissa”, ja sen etuna on, että siinä ei kerry plutonium-242-isotooppia eikä pitkäikäisiä aktinideja, joita ei voida helposti polttaa kuin nopeassa reaktorissa. Lisäksi IFR-polttoaineessa on suuri osuus poltettavissa olevia isotooppeja, kun taas CANDU:ssa polttoaineen laimentamiseen tarvitaan inerttiä materiaalia; tämä tarkoittaa, että IFR voi polttaa suuremman osan polttoaineestaan ennen jälleenkäsittelyä. Suurin osa plutoniumista tuotetaan tutkimusreaktoreissa tai plutoniumia tuottavissa reaktoreissa, joita kutsutaan kasvatusreaktoreiksi, koska ne tuottavat enemmän plutoniumia kuin ne kuluttavat polttoainetta; periaatteessa tällaiset reaktorit käyttävät luonnonuraania erittäin tehokkaasti. Käytännössä niiden rakentaminen ja käyttö on niin vaikeaa, että niitä käytetään yleensä vain plutoniumin tuotantoon. Kasvatusreaktorit ovat yleensä (mutta eivät aina) nopeita reaktoreita, koska nopeat neutronit tuottavat plutoniumia jonkin verran tehokkaammin.
Plutonium-239:ää käytetään ydinaseissa useammin kuin uraani-235:tä, koska sitä on helpompi saada kriittisen massan suuruisena. Sekä plutonium-239 että uraani-235 saadaan luonnonuraanista, joka koostuu pääasiassa uraani-238:sta mutta sisältää pieniä määriä muita uraanin isotooppeja, kuten uraani-235:tä. Uraanin rikastusprosessi eli 235U:n ja 238U:n suhteen kasvattaminen asekelpoiseksi on yleensä pitkäkestoisempi ja kalliimpi prosessi kuin plutonium-239:n tuottaminen 238U:sta ja sen jälkeinen jälleenkäsittely.
Supergrade-luokan plutoniumMuutos
Vähäisemmän radioaktiivisuuden omaavaa ”supergrade”-luokan halkeamispolttoainetta käytetään USA:n merivoimien ydinaseiden primaarivaiheen ydinasekäytössä tavanomaisen plutoniumin asemesta ilmavoimien versioissa. ”Supergrade” on teollisuudessa käytetty termi plutoniumseokselle, jossa on poikkeuksellisen suuri osuus 239Pu:ta (>95 %), jolloin jäljelle jää hyvin pieni määrä 240Pu:ta, joka on korkea spontaanin fission isotooppi (ks. edellä). Tällaista plutoniumia tuotetaan polttoainesauvoista, joita on säteilytetty hyvin lyhyen aikaa MW-päivän/tonnin polttoajalla mitattuna. Näin lyhyet säteilytysajat rajoittavat ylimääräisen neutronisieppauksen määrää ja siten vaihtoehtoisten isotooppituotteiden, kuten 240Pu:n, kertymistä sauvaan, ja näin ollen niiden tuottaminen on myös huomattavasti kalliimpaa, sillä tiettyä plutoniummäärää varten tarvitaan paljon enemmän säteilytettyjä ja käsiteltyjä sauvoja.
Plutonium-240 on neutronien säteilyttäjä halkeamisen jälkeen ja lisäksi se on myös gammasäteilyttäjä, ja siten se vastaa suuresta osasta varastoituna säilytettävissä olevista ydinaseista peräisin olevaa säteilyä. Sukellusveneiden miehistön jäsenet elävät ja työskentelevät rutiininomaisesti hyvin lähellä torpedohuoneisiin ja ohjusputkiin varastoituja ydinaseita riippumatta siitä, ovatko he partioimassa vai satamassa, toisin kuin ilmavoimien ohjukset, joissa säteilyaltistus on suhteellisen lyhyt. Säteilylle altistumisen vähentämisen tarve oikeuttaa monissa laivaston ydinaseissa käytettävän ensiluokkaisen superluokan metalliseoksen lisäkustannukset. Erikoislaatuista plutoniumia käytetään W80-taistelukärjissä.