Plutonium tillverkas av uran-238. 239Pu skapas normalt i kärnreaktorer genom transmutation av enskilda atomer av en av de uranisotoper som finns i bränslestavarna. Ibland, när en atom av 238U utsätts för neutronstrålning, kommer dess kärna att fånga en neutron och omvandlas till 239U. Detta sker lättare med lägre kinetisk energi (eftersom 238U:s klyvningsaktivering är 6,6 MeV). 239U genomgår sedan snabbt två β- sönderfall – en emission av en elektron och en anti-neutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}}
), vilket lämnar en proton – det första β- sönderfallet förvandlar 239U till neptunium-239 och det andra β- sönderfallet förvandlar 239Np till 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 {\ce {{}^{238}_{92}U + {}^{1}_{0}n -> {}^{239}_{92}U -> {}^{239}_{93}Np -> {}^{239}_{94}Pu}}}}
Fissionsaktivitet är relativt sällsynt, så även efter en betydande exponering är 239Pu fortfarande blandat med en stor mängd 238U (och eventuellt andra uranisotoper), syre, andra komponenter från det ursprungliga materialet och fissionsprodukter. Endast om bränslet har exponerats i några dagar i reaktorn kan 239Pu separeras kemiskt från resten av materialet för att ge högren 239Pu-metall.
239Pu har en högre sannolikhet för klyvning än 235U och ett större antal neutroner som produceras per klyvningshändelse, så det har en mindre kritisk massa. Rent 239Pu har också en rimligt låg neutronutsläppshastighet på grund av spontan fission (10 fissioner/s-kg), vilket gör det möjligt att sammanställa en massa som är mycket superkritisk innan en kedjereaktion med detonation inleds.
I praktiken kommer dock reaktorframkallat plutonium oundvikligen att innehålla en viss mängd 240Pu på grund av 239Pus tendens att absorbera ytterligare en neutron under produktionen. 240Pu har en hög frekvens av spontana fissionshändelser (415 000 fissioner/s-kg), vilket gör det till en oönskad förorening. Plutonium som innehåller en betydande andel 240Pu är därför inte lämpligt för användning i kärnvapen; det avger neutronstrålning, vilket försvårar hanteringen, och dess närvaro kan leda till en ”fizzle”, där en liten explosion inträffar, vilket förstör vapnet men inte orsakar fission av en betydande del av bränslet. (I moderna kärnvapen som använder neutrongeneratorer för initiering och fusionsförstärkning för att tillföra extra neutroner, är det dock inget problem med ”fizzling”). Det är på grund av denna begränsning som plutoniumbaserade vapen måste vara av implosionstyp, snarare än av kanontyp. Dessutom kan 239Pu och 240Pu inte särskiljas kemiskt, så en dyr och svår isotopseparation skulle vara nödvändig för att separera dem. Plutonium av vapenkvalitet definieras som innehållande högst 7 % 240Pu. Detta uppnås genom att 238U endast utsätts för neutronkällor under korta perioder för att minimera den 240Pu som produceras.
Plutonium klassificeras enligt den procentandel av föroreningen plutonium-240 som det innehåller:
- Supergrade 2-3%
- Weapons grade 3-7%
- Fuel grade 7-18%
- Reactor grade 18% eller mer
En kärnkraftsreaktor som används för att framställa plutonium för vapen har därför i allmänhet ett sätt att utsätta 238U för neutronstrålning och för att ofta byta ut det bestrålade 238U mot nytt 238U. En reaktor som drivs med oanrikat eller måttligt anrikat uran innehåller mycket 238U. De flesta kommersiella kärnkraftsreaktorkonstruktioner kräver dock att hela reaktorn stängs av, ofta i veckor, för att bränsleelementen ska kunna bytas ut. De producerar därför plutonium i en blandning av isotoper som inte lämpar sig väl för vapentillverkning. En sådan reaktor skulle kunna förses med ett maskineri som gör det möjligt att placera 238U-sladder nära kärnan och byta dem ofta, eller så skulle den kunna stängas av ofta, så spridningen är ett bekymmer; av denna anledning inspekterar Internationella atomenergiorganet ofta licensierade reaktorer. Några få kommersiella kraftreaktorkonstruktioner, t.ex. reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) och pressuriserad tungvattenreaktor (PHWR), tillåter bränslepåfyllning utan avstängning, och de kan utgöra en spridningsrisk. (RBMK byggdes faktiskt av Sovjetunionen under det kalla kriget, så trots deras skenbart fredliga syfte är det troligt att produktion av plutonium var ett konstruktionskriterium). Däremot kan den kanadensiska CANDU-reaktorn med tungt vattenmodererat natururanbränsle också tankas under drift, men den förbrukar normalt det mesta av det 239Pu den producerar på plats; den är alltså inte bara i sig mindre spridningsbenägen än de flesta reaktorer, utan kan till och med drivas som en ”aktinidförbränningsanläggning”. Den amerikanska IFR-reaktorn (Integral Fast Reactor) kan också drivas i ett ”förbränningsläge” och har vissa fördelar genom att den inte ackumulerar plutonium-242-isotopen eller de långlivade aktiniderna, som inte lätt kan brännas annat än i en snabb reaktor. IFR-bränsle har också en hög andel brännbara isotoper, medan det i CANDU behövs ett inert material för att späda ut bränslet; detta innebär att IFR-bränslet kan bränna en större andel av sitt bränsle innan det behöver upparbetas. Det mesta plutoniumet produceras i forskningsreaktorer eller plutoniumproduktionsreaktorer som kallas bridreaktorer eftersom de producerar mer plutonium än de förbrukar bränsle; i princip gör sådana reaktorer en extremt effektiv användning av naturligt uran. I praktiken är det så svårt att bygga och driva dem att de i allmänhet endast används för att producera plutonium. Bridreaktorer är i allmänhet (men inte alltid) snabba reaktorer, eftersom snabba neutroner är något effektivare vid produktion av plutonium.
Plutonium-239 används oftare i kärnvapen än uran-235, eftersom det är lättare att erhålla i en mängd med kritisk massa. Både plutonium-239 och uran-235 erhålls från naturligt uran, som huvudsakligen består av uran-238 men innehåller spår av andra isotoper av uran, t.ex. uran-235. Processen att anrika uran, dvs. öka förhållandet mellan 235U och 238U till vapenkvalitet, är i allmänhet en mer långvarig och kostsam process än produktionen av plutonium-239 från 238U och efterföljande upparbetning.
Supergrade plutoniumEdit
Det ”supergrade” klyvningsbränslet, som har mindre radioaktivitet, används i det primära stadiet av kärnvapen från den amerikanska flottan i stället för det konventionella plutonium som används i flygvapnets versioner. ”Supergrade” är en branschuttryck för en plutoniumlegering med en exceptionellt hög andel 239Pu (>95%), vilket lämnar en mycket liten mängd 240Pu, som är en isotop med hög spontan klyvningsfrekvens (se ovan). Sådant plutonium framställs från bränslestavar som har bestrålats under mycket kort tid, mätt i MW-dag/ton förbränning. Sådana korta bestrålningstider begränsar mängden ytterligare neutroninfångning och därmed uppbyggnaden av alternativa isotopprodukter som 240Pu i staven, och är följaktligen också betydligt dyrare att tillverka, eftersom det krävs betydligt fler bestrålade och bearbetade stavar för att få fram en given mängd plutonium.
Plutonium-240 är förutom en neutronavsändare efter klyvning en gammaavsändare och står därför för en stor del av strålningen från lagrade kärnvapen. Oavsett om de är ute på patrullering eller i hamn lever och arbetar ubåtsbesättningsmedlemmar rutinmässigt i mycket stor närhet till kärnvapen som förvaras i torpedrum och missilrör, till skillnad från flygvapnets missiler där exponeringen är relativt kortvarig. Behovet av att minska strålningsexponeringen motiverar merkostnaderna för den högkvalitativa legering som används på många av marinens kärnvapen. Högkvalitativt plutonium används i W80-stridsspetsar.