Plutonium wordt gemaakt uit uranium-238. 239Pu wordt normaliter in kernreactoren gemaakt door transmutatie van afzonderlijke atomen van een van de isotopen van uranium die in de splijtstofstaven aanwezig zijn. Af en toe, wanneer een atoom van 238U wordt blootgesteld aan neutronenstraling, zal zijn kern een neutron opvangen, waardoor hij verandert in 239U. Dit gebeurt gemakkelijker met een lagere kinetische energie (aangezien de splijtingsactivering van 238U 6,6MeV bedraagt). De 239U ondergaat dan snel twee β-vervallen – een emissie van een elektron en een anti-neutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}
), waarbij een proton overblijft – het eerste β-verval transformeert de 239U in neptunium-239, en het tweede β-verval transformeert de 239Np in 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 {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {}^{239}_{93}Np -> {}^{239}_{94}Pu}}
Splijtingsactiviteit is betrekkelijk zeldzaam, dus zelfs na een aanzienlijke blootstelling is het 239Pu nog vermengd met een grote hoeveelheid 238U (en mogelijk andere isotopen van uranium), zuurstof, andere bestanddelen van het oorspronkelijke materiaal, en splijtingsproducten. Alleen als de splijtstof een paar dagen in de reactor is blootgesteld, kan het 239Pu chemisch worden gescheiden van de rest van het materiaal om zeer zuiver 239Pu-metaal te verkrijgen.
239Pu heeft een hogere splijtingskans dan 235U en een groter aantal neutronen dat per splijtingsgebeurtenis wordt geproduceerd, zodat het een kleinere kritische massa heeft. Zuiver 239Pu heeft ook een redelijk lage snelheid van neutronenemissie ten gevolge van spontane splijting (10 splijting/s-kg), waardoor het haalbaar is een massa samen te stellen die zeer superkritisch is voordat een detonatiekettingreactie begint.
In de praktijk zal in reactoren gekweekt plutonium echter steevast een bepaalde hoeveelheid 240Pu bevatten ten gevolge van de neiging van 239Pu om tijdens de productie een extra neutron te absorberen. 240Pu heeft een hoog percentage spontane splijtingen (415.000 splijtingen/s-kg), waardoor het een ongewenste verontreiniging is. Als gevolg daarvan is plutonium dat een aanzienlijke fractie 240Pu bevat, niet erg geschikt voor gebruik in kernwapens; het zendt neutronenstraling uit, wat de hantering bemoeilijkt, en de aanwezigheid ervan kan leiden tot een “fizzle”, waarbij een kleine explosie plaatsvindt die het wapen vernietigt, maar geen splijting van een significante fractie van de splijtstof veroorzaakt. (In moderne kernwapens die gebruik maken van neutronengeneratoren voor de initiëring en fusieversterking voor de aanvoer van extra neutronen, is “fizzle” echter geen probleem). Vanwege deze beperking moeten wapens op basis van plutonium van het implosietype zijn, en niet van het kanon-type. Bovendien zijn 239Pu en 240Pu chemisch niet van elkaar te onderscheiden, zodat dure en moeilijke isotopenscheiding nodig zou zijn om ze te scheiden. Plutonium dat geschikt is voor kernwapens wordt gedefinieerd als een plutonium dat niet meer dan 7% 240Pu bevat; dit wordt bereikt door 238U slechts gedurende korte perioden bloot te stellen aan neutronenbronnen om de geproduceerde 240Pu te minimaliseren.
Plutonium wordt ingedeeld naar het percentage van de verontreinigende stof plutonium-240 dat het bevat:
- Supergrade 2-3%
- Weapons grade 3-7%
- Fuel grade 7-18%
- Reactor grade 18% of meer
Een kernreactor die wordt gebruikt om plutonium voor wapens te produceren, heeft daarom in het algemeen een middel om 238U bloot te stellen aan neutronenstraling en om de bestraalde 238U regelmatig te vervangen door nieuwe 238U. Een reactor die werkt met niet-verrijkt of matig verrijkt uranium bevat een grote hoeveelheid 238U. Bij de meeste commerciële kernreactorontwerpen moet echter de gehele reactor worden stilgelegd, vaak wekenlang, om de splijtstofelementen te vervangen. Zij produceren dus plutonium in een mix van isotopen die niet goed geschikt is voor wapenbouw. Aan een dergelijke reactor kunnen machines worden toegevoegd die het mogelijk maken 238U-kogels in de buurt van de kern te plaatsen en deze regelmatig te vervangen, of hij kan vaak worden stilgelegd, zodat proliferatie een punt van zorg is; om deze reden inspecteert de Internationale Organisatie voor Atoomenergie reactoren met een vergunning vaak. Enkele commerciële reactorontwerpen, zoals de reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) en de pressurized heavy water reactor (PHWR), staan wel bijtanken zonder stillegging toe, en kunnen een proliferatierisico inhouden. (De RBMK werd tijdens de Koude Oorlog door de Sovjet-Unie gebouwd, dus ondanks hun ogenschijnlijk vreedzaam doel is het waarschijnlijk dat de productie van plutonium een ontwerpcriterium was). De Canadese CANDU-reactor met zwaar water en gemodereerde natuurlijke uraniumbrandstof kan daarentegen ook worden bijgetankt terwijl hij in bedrijf is, maar verbruikt normaliter het grootste deel van de 239Pu die hij ter plaatse produceert; hij is dus niet alleen inherent minder proliferatief dan de meeste reactoren, maar kan zelfs worden gebruikt als een “actinideverbrandingsoven”. De Amerikaanse IFR (Integral Fast Reactor) kan ook in een “verbrandingsmodus” worden gebruikt, hetgeen het voordeel heeft dat er geen accumulatie plaatsvindt van de isotoop plutonium-242 of van de langlevende actiniden, die alleen in een snelle reactor gemakkelijk kunnen worden verbrand. Ook heeft IFR-splijtstof een hoog gehalte aan brandbare isotopen, terwijl in CANDU een inert materiaal nodig is om de splijtstof te verdunnen; dit betekent dat de IFR een groter deel van zijn splijtstof kan verbranden voordat opwerking nodig is. Het meeste plutonium wordt geproduceerd in onderzoeksreactoren of plutoniumproductiereactoren die kweekreactoren worden genoemd omdat zij meer plutonium produceren dan zij brandstof verbruiken; in principe maken dergelijke reactoren uiterst efficiënt gebruik van natuurlijk uranium. In de praktijk zijn de bouw en de werking ervan zo moeilijk dat zij over het algemeen alleen worden gebruikt voor de productie van plutonium. Kweekreactoren zijn over het algemeen (maar niet altijd) snelle reactoren, aangezien snelle neutronen iets efficiënter zijn bij de productie van plutonium.
Plutonium-239 wordt vaker gebruikt in kernwapens dan uranium-235, omdat het gemakkelijker te verkrijgen is in een hoeveelheid van kritische massa. Zowel plutonium-239 als uranium-235 worden verkregen uit natuurlijk uranium, dat hoofdzakelijk uit uranium-238 bestaat, maar sporen van andere uraniumisotopen zoals uranium-235 bevat. Het proces van verrijking van uranium, d.w.z. het verhogen van de verhouding 235U tot 238U tot weapons grade, is over het algemeen een langduriger en kostbaarder proces dan de productie van plutonium-239 uit 238U en de daaropvolgende opwerking.
Supergrade plutoniumEdit
De “supergrade” splijtstof, die minder radioactiviteit heeft, wordt gebruikt in de primaire fase van kernwapens van de US Navy in plaats van het conventionele plutonium dat wordt gebruikt in de versies van de luchtmacht. “Supergrade” is industriejargon voor plutoniumlegering met een uitzonderlijk hoge fractie 239Pu (>95%), waarbij een zeer lage hoeveelheid 240Pu overblijft, een isotoop met een hoge spontane splijtingsactiviteit (zie boven). Dergelijk plutonium wordt geproduceerd uit splijtstofstaven die zeer kort bestraald zijn, gemeten in MW-dag/ton burnup. Dergelijke korte bestralingstijden beperken de hoeveelheid extra neutronenvangst en derhalve de opbouw van alternatieve isotoopproducten zoals 240Pu in de staaf, en is bijgevolg ook aanzienlijk duurder om te produceren, aangezien veel meer staven moeten worden bestraald en verwerkt voor een gegeven hoeveelheid plutonium.
Plutonium-240 is niet alleen een neutronenuitstoter na splijting, maar ook een gammastraler, en is dus verantwoordelijk voor een groot deel van de straling van opgeslagen kernwapens. Of zij nu op patrouille zijn of in de haven, bemanningsleden van onderzeeërs leven en werken routinematig in zeer dichte nabijheid van kernwapens die zijn opgeslagen in torpedoruimten en raketbuizen, in tegenstelling tot luchtmachtraketten, waar de blootstelling relatief kort is. De noodzaak om de blootstelling aan straling te beperken, rechtvaardigt de extra kosten van de hoogwaardige superlegering die voor veel marinekernwapens wordt gebruikt. Supergrade plutonium wordt gebruikt in W80 kernkoppen.