Pluton jest wytwarzany z uranu-238. 239Pu powstaje zwykle w reaktorach jądrowych w wyniku transmutacji pojedynczych atomów jednego z izotopów uranu obecnych w prętach paliwowych. Czasami, gdy atom 238U jest wystawiony na działanie promieniowania neutronowego, jego jądro wychwytuje neutron, zmieniając go w 239U. Dzieje się to łatwiej przy niższej energii kinetycznej (aktywacja rozszczepienia 238U wynosi 6.6MeV). Następnie 239U ulega gwałtownie dwóm rozpadom β – emisji elektronu i antyneutrina ( ν ¯ e {{e}}
), pozostawiając proton – pierwszy rozpad β przekształcający 239U w neptun-239, a drugi rozpad β przekształcający 239Np w 239Pu: U 92 238 + n 0 1 ⟶ U 92 239 → 23.5 min β – Np 93 239 → 2.356 d β – Pu 94 239 {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {}^{239}_{93}Np -> {}^{239}_{94}Pu}}
Aktywność rozszczepienia jest stosunkowo rzadka, więc nawet po znacznej ekspozycji, 239Pu jest nadal zmieszany z dużą ilością 238U (i ewentualnie innych izotopów uranu), tlenu, innych składników pierwotnego materiału i produktów rozszczepienia. Dopiero po kilkudniowej ekspozycji paliwa w reaktorze można chemicznie oddzielić 239Pu od reszty materiału, uzyskując metal 239Pu o wysokiej czystości.
239Pu ma większe prawdopodobieństwo rozszczepienia niż 235U i większą liczbę neutronów wytwarzanych na jedno rozszczepienie, dlatego ma mniejszą masę krytyczną. Czysty 239Pu ma również dość niski wskaźnik emisji neutronów w wyniku spontanicznego rozszczepienia (10 rozszczepień/s-kg), co sprawia, że możliwe jest zgromadzenie masy, która jest wysoce nadkrytyczna przed rozpoczęciem łańcuchowej reakcji detonacji.
W praktyce jednak pluton hodowany w reaktorach będzie niezmiennie zawierał pewną ilość 240Pu ze względu na tendencję 239Pu do pochłaniania dodatkowego neutronu podczas produkcji. 240Pu charakteryzuje się wysokim współczynnikiem spontanicznych rozszczepień (415 000 rozszczepień/s-kg), co czyni go niepożądanym zanieczyszczeniem. W rezultacie pluton zawierający znaczną część 240Pu nie nadaje się dobrze do użycia w broni jądrowej; emituje on promieniowanie neutronowe, co utrudnia obchodzenie się z nim, a jego obecność może prowadzić do „fizzle”, w którym następuje niewielka eksplozja, niszcząca broń, ale nie powodująca rozszczepienia znacznej frakcji paliwa. (Jednak w nowoczesnej broni jądrowej, w której do inicjowania wybuchu używa się generatorów neutronów, a do dostarczania dodatkowych neutronów wykorzystuje się fuzję jądrową, migotanie nie stanowi problemu). To właśnie z powodu tego ograniczenia broń oparta na plutonie musi być raczej bronią implozyjną, a nie działową. Co więcej, 239Pu i 240Pu nie da się rozróżnić chemicznie, więc do ich rozdzielenia konieczna byłaby kosztowna i trudna separacja izotopów. Pluton klasy wojskowej definiuje się jako zawierający nie więcej niż 7% 240Pu; osiąga się to przez wystawianie 238U na działanie źródeł neutronów przez krótkie okresy czasu, aby zminimalizować ilość wytwarzanego 240Pu.
Pluton jest klasyfikowany zgodnie z procentową zawartością zanieczyszczenia pluton-240, które zawiera:
- Supergrade 2-3%
- Weapons grade 3-7%
- Fuel grade 7-18%
- Reactor grade 18% lub więcej
Reaktor jądrowy, który jest używany do produkcji plutonu do broni, dlatego na ogół ma środki do wystawiania 238U na promieniowanie neutronowe i do częstej wymiany napromieniowanego 238U na nowy 238U. Reaktor pracujący na niewzbogaconym lub umiarkowanie wzbogaconym uranie zawiera dużą ilość 238U. Jednak większość konstrukcji komercyjnych jądrowych reaktorów energetycznych wymaga wyłączenia całego reaktora, często na wiele tygodni, w celu wymiany elementów paliwowych. Produkują one zatem pluton w postaci mieszaniny izotopów, która nie nadaje się dobrze do budowy broni. Do takiego reaktora można by dodać urządzenia pozwalające na umieszczanie w pobliżu rdzenia pocisków z 238U i częstą ich wymianę, albo też reaktor mógłby być często wyłączany, więc proliferacja stanowi problem; z tego powodu Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej często kontroluje licencjonowane reaktory. Kilka konstrukcji komercyjnych reaktorów energetycznych, takich jak reaktor bolszoj moshchnosti kanalniy (RBMK) i ciśnieniowy reaktor ciężkowodny (PHWR), pozwala na tankowanie bez wyłączania i może stanowić ryzyko proliferacji. (W rzeczywistości reaktory RBMK zostały zbudowane przez Związek Radziecki w okresie zimnej wojny, więc mimo ich pozornie pokojowego przeznaczenia, produkcja plutonu była prawdopodobnie jednym z kryteriów projektowych). Dla porównania, kanadyjski reaktor CANDU z moderatorem ciężkowodnym, zasilany paliwem z naturalnego uranu, również może być uzupełniany podczas pracy, ale zazwyczaj zużywa większość wytwarzanego przez siebie 239Pu na miejscu; jest więc nie tylko z natury mniej proliferacyjny niż większość reaktorów, ale może nawet działać jako „spalarnia aktynowców”. Amerykański reaktor IFR (Integral Fast Reactor) może również pracować w trybie „spalania”, co ma pewne zalety, gdyż nie gromadzi izotopu plutonu-242 ani długożyciowych aktynowców, które nie mogą być łatwo spalone, chyba że w reaktorze prędkim. Ponadto paliwo IFR ma wysoki udział izotopów nadających się do spalenia, podczas gdy w CANDU do rozcieńczenia paliwa potrzebny jest materiał obojętny; oznacza to, że IFR może spalić większą część swojego paliwa przed koniecznością ponownego przetworzenia. Większość plutonu jest produkowana w reaktorach badawczych lub reaktorach do produkcji plutonu, zwanych reaktorami powielającymi, ponieważ produkują one więcej plutonu niż zużywają paliwa; w zasadzie reaktory takie niezwykle efektywnie wykorzystują naturalny uran. W praktyce ich budowa i eksploatacja jest na tyle trudna, że z reguły są one wykorzystywane wyłącznie do produkcji plutonu. Reaktory powielające są zazwyczaj (ale nie zawsze) reaktorami prędkimi, ponieważ neutrony prędkie są nieco bardziej wydajne przy produkcji plutonu.
Pluton-239 jest częściej stosowany w broni jądrowej niż uran-235, ponieważ jest łatwiejszy do uzyskania w ilości masy krytycznej. Zarówno pluton-239, jak i uran-235 otrzymuje się z uranu naturalnego, który składa się głównie z uranu-238, ale zawiera śladowe ilości innych izotopów uranu, takich jak uran-235. Proces wzbogacania uranu, tj. zwiększania stosunku 235U do 238U do poziomu broni, jest na ogół procesem bardziej długotrwałym i kosztownym niż produkcja plutonu-239 z 238U i późniejsze przetwarzanie.
Supergrade plutoniumEdit
Paliwo rozszczepialne „supergrade”, które ma mniejszą radioaktywność, jest używane w pierwotnym etapie broni jądrowej US Navy w miejsce konwencjonalnego plutonu używanego w wersjach Air Force. „Supergrade” to branżowy termin oznaczający stop plutonu zawierający wyjątkowo wysoką frakcję 239Pu (>95%), pozostawiający bardzo niską ilość 240Pu, który jest izotopem o wysokim stopniu spontanicznego rozszczepienia (patrz wyżej). Taki pluton jest produkowany z prętów paliwowych, które zostały napromieniowane w bardzo krótkim czasie, mierzonym w MW-dniach/tonę wypalenia. Tak niski czas napromieniowania ogranicza ilość dodatkowych wychwytów neutronów, a tym samym gromadzenie się w pręcie produktów izotopów alternatywnych, takich jak 240Pu, a także w konsekwencji jest znacznie droższy w produkcji, wymagając znacznie większej ilości prętów napromieniowanych i przetworzonych dla danej ilości plutonu.
Pluton-240, oprócz tego, że jest emiterem neutronów po rozszczepieniu, jest emiterem promieniowania gamma, a więc jest odpowiedzialny za znaczną część promieniowania z przechowywanej broni jądrowej. Zarówno podczas patrolu, jak i w porcie, członkowie załóg okrętów podwodnych rutynowo przebywają i pracują w bardzo bliskim sąsiedztwie broni jądrowej przechowywanej w torpedowniach i wyrzutniach pocisków, w przeciwieństwie do rakiet Sił Powietrznych, gdzie narażenie na promieniowanie jest stosunkowo krótkie. Potrzeba zmniejszenia narażenia na promieniowanie uzasadnia dodatkowe koszty wysokiej jakości stopu supergrade stosowanego w wielu rodzajach broni jądrowej marynarki wojennej. Pluton supergrade jest używany w głowicach W80.