Plutonium-239
Produksi

Plutonium dibuat dari uranium-238. 239Pu biasanya dibuat dalam reaktor nuklir dengan transmutasi atom individu dari salah satu isotop uranium yang ada di batang bahan bakar. Kadang-kadang, ketika sebuah atom 238U terkena radiasi neutron, intinya akan menangkap neutron, mengubahnya menjadi 239U. Hal ini dapat terjadi lebih mudah dengan energi kinetik yang lebih rendah (karena aktivasi fisi 238U adalah 6,6 MeV). 239U kemudian dengan cepat mengalami dua peluruhan β− — emisi elektron dan anti-neutrino ( {\bar {\nu }}_{e}), meninggalkan proton — peluruhan β− pertama mengubah 239U menjadi neptunium-239, dan peluruhan β− kedua mengubah 239Np menjadi 239Pu:
Aktivitas fisi relatif jarang, sehingga bahkan setelah paparan yang signifikan, 239Pu masih bercampur dengan banyak 238U (dan mungkin isotop uranium lainnya), oksigen, komponen lain dari bahan asli, dan produk fisi. Hanya jika bahan bakar telah terpapar selama beberapa hari di dalam reaktor, 239Pu dapat dipisahkan secara kimia dari bahan lainnya untuk menghasilkan logam 239Pu dengan kemurnian tinggi.
239Pu memiliki kemungkinan fisi yang lebih tinggi daripada 235U dan jumlah neutron yang dihasilkan lebih banyak per peristiwa fisi, sehingga memiliki massa kritis yang lebih kecil. 239Pu murni juga memiliki tingkat emisi neutron yang cukup rendah karena adanya fisi spontan (10 fisi/s-kg), sehingga memungkinkannya untuk mengumpulkan massa yang sangat superkritis sebelum reaksi berantai detonasi dimulai.
Namun, dalam praktiknya, plutonium yang dibiakkan reaktor akan selalu mengandung sejumlah 240Pu karena kecenderungan 239Pu untuk menyerap neutron tambahan selama produksi. 240Pu memiliki tingkat kejadian fisi spontan yang tinggi (415.000 fisi/s-kg), menjadikannya kontaminan yang tidak diinginkan. Akibatnya, plutonium yang mengandung fraksi 240Pu yang signifikan tidak cocok untuk digunakan dalam senjata nuklir; ia memancarkan radiasi neutron, membuat penanganan menjadi lebih sulit, dan kehadirannya dapat menyebabkan "kegagalan" di mana ledakan kecil terjadi, menghancurkan senjata tetapi tidak menyebabkan fisi sebagian besar bahan bakar. (Namun, dalam senjata nuklir modern yang menggunakan generator neutron untuk inisiasi dan peningkatan fusi untuk memasok neutron ekstra, kegagalan tidak menjadi masalah.) Karena keterbatasan inilah senjata berbasis plutonium haruslah jenis delakan, bukan jenis bedil. Selain itu, 239Pu dan 240Pu tidak dapat dibedakan secara kimia, sehingga diperlukan pemisahan isotop yang mahal dan sulit untuk memisahkannya. Plutonium tingkat senjata didefinisikan mengandung tidak lebih dari 7% 240Pu; ini dicapai dengan hanya memaparkan 238U pada sumber neutron dalam waktu singkat untuk meminimalkan 240Pu yang dihasilkan.
Plutonium diklasifikasikan menurut persentase kontaminan plutonium-240 yang dikandungnya:
Tingkat super 2–3%
Tingkat senjata 3–7%
Tingkat bahan bakar 7–18%
Tingkat reaktor 18% atau lebih
Reaktor nuklir yang digunakan untuk memproduksi plutonium untuk senjata umumnya memiliki sarana untuk mengekspos 238U ke radiasi neutron dan untuk mengganti 238U yang disinari dengan 238U yang baru. Reaktor yang beroperasi dengan uranium yang tidak diperkaya atau cukup diperkaya mengandung banyak 238U. Namun, sebagian besar desain reaktor nuklir komersial mengharuskan seluruh reaktor dimatikan, seringkali selama berminggu-minggu, untuk mengubah unsur bahan bakar. Oleh karena itu mereka menghasilkan plutonium dalam campuran isotop yang tidak cocok untuk konstruksi senjata.  Reaktor semacam itu dapat memiliki mesin yang ditambahkan yang memungkinkan slug 238U ditempatkan di dekat inti dan sering diganti, atau dapat sering dimatikan, sehingga proliferasi menjadi perhatian; untuk alasan ini, Badan Tenaga Atom Internasional sering memeriksa reaktor berlisensi. Beberapa desain reaktor daya komersial, seperti reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy (RBMK) dan reaktor air berat bertekanan (PHWR), memungkinkan pengisian bahan bakar tanpa penutupan, dan dapat menimbulkan risiko proliferasi. (Faktanya, RBMK dibangun oleh Uni Soviet selama Perang Dingin, jadi terlepas dari tujuan mereka yang tampaknya damai, kemungkinan produksi plutonium adalah kriteria desain.) Sebaliknya, uranium alam yang dimoderasi air-berat CANDU Kanada berbahan bakar uranium reaktor juga dapat diisi bahan bakar saat beroperasi, tetapi biasanya menggunakan sebagian besar 239Pu yang dihasilkannya di tempat;  dengan demikian, tidak hanya secara inheren kurang proliferatif daripada kebanyakan reaktor, tetapi bahkan dapat dioperasikan sebagai "insinerator aktinida". IFR (Reaktor cepat integral) Amerika juga dapat dioperasikan dalam "mode insinerasi", memiliki beberapa keuntungan dengan tidak mengakumulasi isotop plutonium-242 atau aktinida berumur panjang, yang tidak dapat dengan mudah dibakar kecuali dalam reaktor cepat. Juga, bahan bakar IFR memiliki proporsi isotop yang dapat terbakar yang tinggi, sedangkan di CANDU bahan inert diperlukan untuk mengencerkan bahan bakar; ini berarti IFR dapat membakar fraksi bahan bakar yang lebih tinggi sebelum memerlukan pemrosesan ulang. Kebanyakan plutonium diproduksi di reaktor penelitian atau reaktor produksi plutonium yang disebut reaktor pembiak karena mereka menghasilkan lebih banyak plutonium daripada yang mereka konsumsi bahan bakarnya; pada prinsipnya, reaktor semacam itu menggunakan uranium alam dengan sangat efisien. Dalam praktiknya, konstruksi dan pengoperasiannya cukup sulit sehingga umumnya hanya digunakan untuk memproduksi plutonium. Reaktor pembiak umumnya (tetapi tidak selalu) merupakan reaktor cepat, karena neutron cepat agak lebih efisien dalam produksi plutonium.
Plutonium-239 lebih sering digunakan dalam senjata nuklir daripada uranium-235, karena lebih mudah diperoleh dalam jumlah massa kritis. Baik plutonium-239 maupun uranium-235 diperoleh dari uranium alami, yang terutama terdiri dari uranium-238 tetapi mengandung jejak isotop uranium lain seperti uranium-235. Proses pengayaan uranium, yaitu meningkatkan rasio 235U ke 238U menjadi jenis senjata, umumnya merupakan proses yang lebih panjang dan mahal daripada produksi plutonium-239 dari 238U dan pemrosesan ulang berikutnya.