Plutonium
Aplikasi > Bahan bakar oksida campuran

Artikel utama: Pemrosesan ulang nuklir dan Bahan nuklir tingkat senjata
Bahan bakar nuklir bekas dari reaktor air ringan biasa mengandung plutonium, tetapi biasanya merupakan campuran plutonium-242, -240, -239 dan -238. Campuran tersebut tidak cukup diperkaya untuk senjata nuklir yang efisien, tetapi dapat digunakan sekali sebagai bahan bakar MOX. Penangkapan neutron yang tidak disengaja menyebabkan jumlah plutonium-242 dan -240 bertambah setiap kali plutonium disinari dalam reaktor dengan neutron "termal" kecepatan rendah, sehingga setelah siklus kedua, plutonium hanya dapat dikonsumsi oleh reaktor neutron cepat. Jika reaktor neutron cepat tidak tersedia (kasus normal), surplus plutonium biasanya dibuang, dan membentuk salah satu komponen limbah nuklir yang berumur panjang. Keinginan untuk mengonsumsi plutonium ini dan bahan bakar transuranium lainnya dan mengurangi radiotoksisitas limbah adalah alasan yang biasa diberikan oleh para insinyur nuklir untuk membuat reaktor neutron cepat.
Proses kimia yang paling umum, PUREX (Plutonium–URanium EXtraction), memroses ulang bahan bakar nuklir bekas untuk mengekstraksi uranium dan plutonium dalam bentuk bahan bakar oksida campuran (MOX) untuk digunakan kembali dalam reaktor nuklir. Plutonium tingkat senjata dapat ditambahkan ke campuran bahan bakar tersebut. Bahan bakar MOX digunakan pada reaktor air ringan dan terdiri dari 60 kg plutonium per ton bahan bakar; setelah empat tahun, tiga per empat plutonium tersebut akan habis digunakan (berubah menjadi unsur lain). Reaktor pembiak secara spesifik dirancang untuk mendapatkan bahan fisil dengan laju yang lebih cepat daripada laju konsumsi bahan tersebut.
Bahan bakar MOX telah digunakan sejak tahun 1980-an dan secara luas digunakan di Eropa. Pada bulan September 2000, Amerika Serikat dan Federasi Rusia menandatangani Perjanjian Pengelolaan dan Disposisi Plutonium yang mana masing-masing pihak setuju untuk membuang 34 ton plutonium tingkat senjata. Departemen Energi A.S. berencana membuang 34 ton plutonium tingkat senjata di Amerika Serikat sebelum akhir 2019 dengan mengubahnya menjadi bahan bakar MOX yang dapat digunakan pada reaktor nuklir komersial.
Bahan bakar MOX dapat meningkatkan pembakaran total. Sebuah batang bahan bakar diproses ulang setelah tiga tahun digunakan untuk menghilangkan produk limbah, yang pada saat itu mencapai 3% dari total berat batang. Isotop uranium dan plutonoum apapun yang dihasilkan selama tiga tahun tersebut ditinggalkan dan batang tersebut kembali digunakan. Namun, keberadaan hingga 1% galium per massa dalam paduan plutonium tingkat senjata berpotensi mengganggu operasi jangka panjang reaktor air ringan.
Plutonium yang diperoleh kembali dari bahan bakar reaktor bekas menimbulkan sedikit bahaya proliferasi, karena kontaminasi yang berlebihan dengan plutonium-240 dan plutonium-242 yang nonfisil. Pemisahan isotop tidak dapat dilakukan. Reaktor khusus yang beroperasi dengan pembakaran sangat rendah (sehingga meminimalkan paparan plutonium-239 yang baru terbentuk terhadap neutron tambahan yang menyebabkannya diubah menjadi isotop plutonium yang lebih berat) umumnya diperlukan untuk menghasilkan bahan yang cocok untuk digunakan dalam senjata nuklir yang efisien. Walaupun plutonium "tingkat senjata" didefinisikan mengandung setidaknya 92% plutonium-239 (dari total plutonium), Amerika Serikat telah berhasil meledakkan sebuah perangkat di bawah 20 kt menggunakan plutonium yang diyakini hanya mengandung sekitar 85% plutonium-239, disebut plutonium "tingkat bahan bakar". Plutonium "tingkat reaktor" yang diproduksi oleh siklus pembakaran LWR reguler biasanya mengandung kurang dari 60% Pu-239, dengan hingga 30% Pu-240/Pu-242 yang merupakan parasit, dan 10–15% Pu-241 yang fisil. Tidak diketahui apakah perangkat yang menggunakan plutonium yang diperoleh dari limbah nuklir sipil yang diproses ulang dapat diledakkan, namun perangkat semacam itu secara hipotetis dapat gagal dan menyebarkan bahan radioaktif ke area perkotaan yang luas. IAEA secara konservatif mengklasifikasikan plutonium dari semua vektor isotop sebagai bahan "penggunaan langsung", yaitu, "bahan nuklir yang dapat digunakan untuk pembuatan komponen bahan peledak nuklir tanpa transmutasi atau pengayaan lebih lanjut".