プルトニウムはウラン238から作られます。 239Puは通常、原子炉の中で、燃料棒に存在するウランの同位体の1つの原子が核変換することによって作られます。 時折、238Uの原子が中性子線にさらされると、その原子核が中性子を捕獲し、239Uに変化することがあります。 これは運動エネルギーが低いほど起こりやすい（238Uの核分裂活性化は6.6MeVであるため）。 239Uはその後急速に2つのβ崩壊-電子と反ニュートリノの放出( ν¯ e {displaystyle {bar {nu }}_{e}}
)を起こし、陽子を残す-最初のβ崩壊で239Uはネプツニウム239に変わり、2番目のβ崩壊で239Npが239Puに変わる。 U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23.5 分 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}}} {}ce
核分裂活動は比較的まれであるため、かなりの被ばくをした後でも、239Puは大量の238U（およびおそらく他のウランの同位体）、酸素、元の物質の他の成分、核分裂生成物と混在しています。 燃料が原子炉で数日間さらされた場合のみ、239Puを他の物質から化学的に分離し、高純度の239Pu金属を得ることができます。
239Pu は235Uよりも核分裂する確率が高く、核分裂1回あたりの中性子の生成数が多いため、臨界量が小さくなっています。 純粋な239Puはまた、自発核分裂による中性子放出率が適度に低く（10 fission/s-kg）、爆轟連鎖反応が始まる前に高度に超臨界状態にある塊を組み立てることが可能である。 240Puは自発核分裂の発生率が高く（415,000回/kg）、汚染物質として好ましくない。 その結果、240Puをかなりの割合で含むプルトニウムは、核兵器への使用に適していません。240Puは中性子線を放出するため取り扱いが難しく、その存在は、小さな爆発が起こる「フィズル」につながり、兵器を破壊することはあっても燃料のかなりの部分の核分裂を引き起こすことはないのです。 (しかし、現代の核兵器では、起動に中性子発生装置を使い、余分な中性子を供給するために核融合促進装置を使うため、フィズリングは問題にならない)。 この制限のために、プルトニウムベースの兵器は銃型ではなく、爆縮型でなければならないのです。 また、239Puと240Puは化学的に区別できないので、分離するためには高価で難しい同位体分離が必要になります。 兵器級プルトニウムは、240Puを7％以上含まないものと定義されている。これは、238Uを短時間だけ中性子源にさらし、240Puの発生を最小限に抑えることによって達成される。
プルトニウムは、汚染物質であるプルトニウム240の含有率によって分類されます。
- Supergrade 2-3%
- Weapons grade 3-7%
- Fuel grade 7-18%
- Reactor grade 18% or more
兵器用のプルトニウムの生産に使われる原子力は通常、238Uに中性子を当て、頻繁に照射した238Uと新しい238Uを入れ替えられる手段を持っています。 未濃縮あるいは中濃縮ウランで運転される原子炉は、大量の238Uを含んでいます。 しかし、商業用原子炉の設計のほとんどは、燃料要素を交換するために原子炉全体を停止させる必要があり、多くの場合、数週間も停止させる必要がある。 そのため、兵器製造には適さない同位体の混じったプルトニウムを生産することになる。 このような原子炉は、238Uスラグを炉心の近くに置いて頻繁に交換できるような機械を追加したり、頻繁に停止させることができるので、拡散が懸念される。このため、国際原子力機関は認可された原子炉を頻繁に検査している。 商業炉の中には、RBMKやPHWRのように、停止することなく燃料補給が可能なものもあり、核拡散のリスクとなる。 (実際、RBMKは冷戦時代にソ連によって建設されたため、表向きは平和目的であっても、プルトニウム生産が設計基準であった可能性が高い)。 対照的に、カナダのCANDU重水減速天然ウラン燃料炉は、運転中に燃料を補給することもできるが、通常は生成した239Puのほとんどをその場で消費する。したがって、ほとんどの原子炉よりも本質的に拡散性が低いだけでなく、「アクチニド焼却炉」として運転することさえ可能である。 アメリカのIFR（インテグラル高速炉）も「焼却モード」で運転でき、高速炉でなければ容易に燃やせないプルトニウム242同位体や長寿命のアクチニドを蓄積しない点でいくつかの利点がある。 また、CANDUでは燃料を希釈するために不活性物質が必要ですが、IFRの燃料は燃焼可能な同位体の割合が高いため、再処理を必要とする前に燃料の高い割合を燃焼させることができます。 プルトニウムのほとんどは、研究用原子炉または増殖炉と呼ばれるプルトニウム生産用原子炉で生産される。このような原子炉は、原理的に天然ウランを非常に効率的に利用できるため、燃料消費量よりも多くのプルトニウムを生産するからである。 原理的には天然ウランを非常に効率的に利用できる原子炉だが、建設や運転が難しいため、一般にはプルトニウムの生産にしか使われていない。 高速中性子はプルトニウムの生産にいくらか効率が良いので、増殖炉は一般に（常にではありませんが）高速炉です。
プルトニウム239は臨界量の量を得るのが簡単なので、ウラン235よりも核兵器でよく使用されています。 プルトニウム239もウラン235も、主にウラン238から成るが、ウラン235のような他のウランの同位体を微量に含む天然ウランから入手される。 このような場合、ウランを濃縮するプロセス、すなわち235Uと238Uの比率を兵器級に高めるプロセスは、238Uからのプルトニウム239の生産とその後の再処理よりも、一般に長くて費用のかかるプロセスである。 「スーパーグレード」とは、239Puの割合が非常に高く（＜4160＞95％）、自発核分裂の多い同位体である240Puが非常に少ないプルトニウム合金の業界用語（上述）です。 このようなプルトニウムは、MW日/トン燃焼度で測定されるように、非常に短い時間照射された燃料棒から生産されます。 そのような低い照射時間は、追加の中性子捕獲の量を制限し、したがって240Puのような代替同位体生成物の蓄積を制限し、また結果として、生産にかなり高価で、所定の量のプルトニウムのためにはるかに多くのロッドを照射し処理する必要があります
プルトニウム-240は、核分裂後に中性子を放出することに加えて、ガンマ放出体であり、したがって貯蔵された核兵器の放射能の大きな割合を担っています。 哨戒中であろうと港にいようと、潜水艦の乗組員は日常的に魚雷室やミサイル発射管に保管されている核兵器のすぐそばで生活し、作業しているのです。 放射線被曝を減らす必要性から、多くの海軍核兵器に使用されている高級スーパーグレード合金の追加コストが正当化される。 スーパーグレードのプルトニウムはW80弾頭で使用されている。