A plutóniumot urán-238-ból állítják elő. A 239Pu általában az atomreaktorokban jön létre az üzemanyagrudakban lévő urán valamelyik izotópjának egyes atomjainak transzmutációjával. Alkalmanként, amikor egy 238U atomot neutronsugárzásnak tesznek ki, az atommagja befog egy neutront, és 239U-vá alakul. Ez kisebb mozgási energia esetén könnyebben megtörténik (mivel a 238U hasadási aktivációja 6,6MeV). A 239U ezután gyorsan két β-bomláson megy keresztül – egy elektron és egy antineutrínó kibocsátása ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}}_{e}}
), és egy proton marad – az első β-bomlás a 239U-t neptúnium-239-é, a második β-bomlás pedig a 239Np-t 239Pu-vá alakítja: U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23,5 perc 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}}})
A hasadási aktivitás viszonylag ritka, így a 239Pu még jelentős expozíció után is nagy mennyiségű 238U-val (és esetleg más uránizotópokkal), oxigénnel, az eredeti anyag egyéb összetevőivel és hasadási termékekkel keveredik. Csak ha az üzemanyagot néhány napig kitették a reaktorban, akkor lehet a 239Pu-t kémiailag elválasztani az anyag többi részétől, hogy nagy tisztaságú 239Pu fémet kapjunk.
239Pu nagyobb valószínűséggel hasad, mint a 235U, és nagyobb az egy hasadási eseményenként keletkező neutronok száma, ezért kisebb a kritikus tömege. A tiszta 239Pu spontán hasadásból eredő neutronemissziójának mértéke is meglehetősen alacsony (10 hasadás/s-kg), ami lehetővé teszi, hogy a detonációs láncreakció megkezdése előtt nagymértékben szuperkritikus tömeget állítsunk össze.
A gyakorlatban azonban a reaktorban tenyésztett plutónium óhatatlanul tartalmazni fog bizonyos mennyiségű 240Pu-t, mivel a 239Pu hajlamos arra, hogy a gyártás során további neutront nyeljen el. A 240Pu spontán hasadási eseményeinek aránya magas (415 000 hasadás/s-kg), ami nemkívánatos szennyezőanyaggá teszi. Ennek következtében a 240Pu jelentős részét tartalmazó plutónium nem alkalmas nukleáris fegyverekben való felhasználásra; neutronsugárzást bocsát ki, ami megnehezíti a kezelést, és jelenléte “fizzle”-hez vezethet, amelyben egy kis robbanás következik be, amely tönkreteszi a fegyvert, de nem okozza az üzemanyag jelentős részének hasadását. (A modern nukleáris fegyvereknél azonban, amelyek neutrongenerátorokat használnak a beindításhoz és fúziófokozót az extra neutronok biztosítására, a fizzling nem jelent problémát). E korlátozás miatt a plutóniumalapú fegyvereknek inkább implosziós típusúaknak kell lenniük, mint lövegtípusúaknak. Ráadásul a 239Pu és a 240Pu kémiailag nem különböztethető meg, ezért drága és bonyolult izotóp szétválasztásra lenne szükség az elkülönítésükhöz. A fegyver minőségű plutóniumot úgy határozzák meg, hogy legfeljebb 7% 240Pu-t tartalmaz; ezt úgy érik el, hogy a 238U-t csak rövid ideig teszik ki neutronforrásoknak, hogy a keletkező 240Pu-t minimalizálják.
A plutóniumot aszerint osztályozzák, hogy a szennyező plutónium-240 hány százalékát tartalmazza:
- Szuperfokozat 2-3%
- Fegyverfokozat 3-7%
- Üzemanyagfokozat 7-18%
- Reaktorfokozat 18% vagy több
A fegyvereknek szánt plutónium előállítására használt atomreaktorban ezért általában van eszköz a 238U neutronsugárzásnak való kitételére és a besugárzott 238U gyakori cseréjére új 238U-val. Egy dúsítatlan vagy mérsékelten dúsított uránnal működő reaktor nagy mennyiségű 238U-t tartalmaz. A legtöbb kereskedelmi célú atomerőművi reaktortípusban azonban a fűtőelemek cseréjéhez az egész reaktort le kell állítani, gyakran hetekre. Ezért a plutóniumot olyan izotópkeverékben állítják elő, amely nem alkalmas fegyvergyártásra. Egy ilyen reaktorba olyan gépezetet lehetne beépíteni, amely lehetővé tenné a 238U-lövedékek elhelyezését a mag közelében és gyakori cseréjét, vagy gyakran le lehetne állítani, így a proliferáció aggodalomra ad okot; ezért a Nemzetközi Atomenergia-ügynökség gyakran ellenőrzi az engedélyezett reaktorokat. Néhány kereskedelmi reaktorkonstrukció, például a reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) és a nyomott nehézvizes reaktor (PHWR) lehetővé teszi a leállás nélküli újratöltést, és ezek proliferációs kockázatot jelenthetnek. (Valójában az RBMK-t a Szovjetunió építette a hidegháború idején, így a látszólag békés céljuk ellenére valószínű, hogy a plutóniumtermelés volt a tervezési szempont). Ezzel szemben a kanadai CANDU nehézvízzel moderált, természetes urán üzemanyaggal működő reaktor üzem közben is feltölthető, de az általa termelt 239Pu nagy részét általában helyben fogyasztja el; így nem csak eredendően kevésbé proliferatív, mint a legtöbb reaktor, de akár “aktinidégetőként” is üzemeltethető. Az amerikai IFR (Integral Fast Reactor) szintén üzemeltethető “égető üzemmódban”, amelynek némi előnye, hogy nem halmozódik fel a plutónium-242 izotóp és a hosszú élettartamú aktinidák, amelyeket csak gyorsreaktorban lehet könnyen elégetni. Az IFR üzemanyagban is magas az éghető izotópok aránya, míg a CANDU-ban inert anyagra van szükség az üzemanyag hígításához; ez azt jelenti, hogy az IFR az üzemanyag nagyobb hányadát égetheti el, mielőtt újrafeldolgozásra lenne szükség. A legtöbb plutóniumot kutatóreaktorokban vagy plutóniumtermelő reaktorokban, úgynevezett tenyésztőreaktorokban állítják elő, mivel ezek több plutóniumot termelnek, mint amennyit üzemanyagot fogyasztanak; elvileg az ilyen reaktorok rendkívül hatékonyan használják fel a természetes uránt. A gyakorlatban építésük és üzemeltetésük elég nehézkes ahhoz, hogy általában csak plutónium előállítására használják őket. A tenyésztőreaktorok általában (de nem mindig) gyorsreaktorok, mivel a gyors neutronok valamivel hatékonyabbak a plutónium előállításában.
A plutónium-239-et gyakrabban használják nukleáris fegyverekben, mint az urán-235-öt, mivel könnyebb kritikus tömegű mennyiségben beszerezni. Mind a plutónium-239-et, mind az urán-235-öt természetes uránból nyerik, amely elsősorban urán-238-ból áll, de nyomokban más uránizotópokat, például urán-235-öt is tartalmaz. Az urán dúsításának folyamata, azaz a 235U-238U arányának fegyverminőségre való növelése általában hosszadalmasabb és költségesebb folyamat, mint a plutónium-239 előállítása 238U-ból és az azt követő újrafeldolgozás.
Szuper minőségű plutóniumSzerkesztés
A “szuper minőségű” hasadóanyagot, amely kevesebb radioaktivitással rendelkezik, az amerikai haditengerészet atomfegyvereinek elsődleges szakaszában használják a légierő változataiban használt hagyományos plutónium helyett. A “szupergrade” ipari szóhasználat a 239Pu kivételesen magas frakcióját (>95%) tartalmazó plutóniumötvözetre, amely nagyon kevés 240Pu-t hagy, amely egy magas spontán hasadási izotóp (lásd fentebb). Az ilyen plutóniumot nagyon rövid ideig besugárzott fűtőelemekből állítják elő, MW-nap/tonna égésszámban mérve. Az ilyen alacsony besugárzási idő korlátozza a további neutronbefogás mennyiségét és ezáltal az alternatív izotóptermékek, mint például a 240Pu felhalmozódását a rúdban, és ennek következtében az előállítása is lényegesen drágább, mivel egy adott mennyiségű plutóniumhoz sokkal több rudat kell besugározni és feldolgozni.
A plutónium-240, amellett, hogy a hasadás után neutronokat bocsát ki, gammasugárzó is, és így felelős a tárolt nukleáris fegyverekből származó sugárzás nagy részéért. Akár járőrözésen, akár a kikötőben, a tengeralattjárók legénységének tagjai rendszeresen a torpedótermekben és rakétacsövekben tárolt nukleáris fegyverek nagyon közvetlen közelében élnek és dolgoznak, ellentétben a légierő rakétáival, ahol a sugárterhelés viszonylag rövid ideig tart. A sugárterhelés csökkentésének szükségessége indokolja a számos haditengerészeti nukleáris fegyveren használt prémium minőségű szuperötvözet többletköltségeit. A W80 robbanófejekben szuper minőségű plutóniumot használnak.