Плутоний - элемент с порядковым номером 94, открыт Гленом Сиборгом (Glenn Seaborg), Эдвином Макмилланом (Edwin McMillan), Кеннеди (Kennedy), и Артуром Уолхом (Arthur Wahl) в 1940 году в Беркли при бомбардировки мишени из урана дейтронами из шестидесятидюймового циклотрона. В декабре 1940 года был открыт изотоп плутония Pu-238, с периодом полураспада ~90 лет, через год - более важный Pu-239 с периодом полураспада ~24 000 лет.

Элементы с атомными номерами больше 92 называются трансурановыми или, короче, трансуранами. Все они получаются искусственно, то есть в результате различных ядерных реакций, в которых тот или иной «тяжелый» элемент подвергается облучению или бомбардировке различными ядерными частицами. Наиболее важными из них являются нейтроны, поскольку они лишены электрического заряда и, следовательно, им не требуется преодолевать кулоновский потенциальный барьер.

При облучении нейтронами изотопа урана 238 получается промежуточное ядро урана 239. Обладая излишком нейтронов, оно испытывает β-распад и превращается в ядро трансуранового элемента с Z=93. Этот элемент был назван нептунием (Np) по аналогии с Солнечной системой, в которой за планетой Уран следует планета Нептун. Претерпевая дальнейший β -распад, нептуний превращается в наиболее важный искусственный трансуран с Z=94, названный плутонием (Pu), опять-таки по аналогии с Солнечной системой, в которой за Нептуном следует планета Плутон.

Такая схема получения трансуранов с Z=93 и Z=94 была абсолютно ясна Ферми уже в 1934 году, когда он начал облучать нейтронами уран. Правда, в то время Ферми не удалось наблюдать Np и Pu из-за больших периодов полураспада и слабости радон-бериллиевого источника нейтронов, которым он тогда пользовался. В опытах Ферми в действительности наблюдались не радиоактивные излучения трансуранов, а излучения радиоактивных изотопов, получающихся при делении ядер урана. Только после создания ядерных реакторов, из которых исходят мощные потоки нейтронов, открылась возможность получать Np и Pu и притом в промышленных масштабах. Их получение можно представить следующей схемой:

В настоящее время известны не менее 15 изотопов плутония с массовыми числами от 232 до 246.

Следующим шагом в получении плутония является его очистка от побочных продуктов реакции. Исходным материалом для извлечения плутония можно считать облученный тепловыделяющий элемент, состоящий из металлического урана и оболочки из какого-либо материала. В облученном тепловыделяющем элементе содержится примерно равное по весу количество плутония и сильно радиоактивных продуктов деления, которые в общей сложности составляют незначительную часть общей массы урана в элементе. Если необходимо получить чистый плутоний, совершенно не загрязненный продуктами деления и ураном, то обычно применяют химические методы извлечения его из растворов. Первым этапом в таком процессе является снижение активности продуктов деления, которое достигается выдержкой тепловыделяющего элемента под водой, служащей биологической защитой и теплоотводящей средой.

После нескольких месяцев выдержки с тепловыделяющего элемента снимают оболочку и растворяют его в азотной кислоте. Образовавшийся в результате этого раствор азотнокислых солей, содержащих уран, плутоний и продукты деления, доводят до нужной кислотности и пропускают через ряд смесителей-осадителей или колонок, в которых и происходят процессы по извлечению плутония.

Экстракцией органическими растворителями уран и плутоний в виде U^VI и Pu^VI отделяют от продуктов деления, в результате одного из процессов такого типа ионы урана и плутония образуют комплексные соединения с трибутилфосфатом(ТБФ) и нитрат-ионами. Полученные соединения экстрагируются органическим растворителем, а продукты деления остаются в водном растворе.

Метод разделения плутония и урана основан на способности плутония менять свою валентность. Для этого плутоний восстанавливают до трехвалентного состояния и на второй стадии экстракции вымывают его из органической фазы разбавленной кислотой.
Плутоний вновь окисляют до четырехвалентного состояния и экстрагируют еще раз раствором ТБФ в керосине, чем достигается дальнейшая очистка его от продуктов деления и урана.Каждую стадию процесса экстракции повторяют столько раз, сколько это необходимо для получения металла нужной чистоты.

Если нужно извлечь небольшое количество плутония, то можно применить также и метод электролитического его восстановления до металла из расплавленного фторида плутония.
Необходимо особо отметить, что из-за высокой активности имеющихся в первоначально получаемом растворе продуктов деления все процессы извлечения плутония на их первоначальной стадии должны выполняться дистанционно, за массивной защитой. Выполнение этого требования сильно затрудняет ремонт оборудования действующего реактора, а также установку нового оборудования.
 

В основном плутоний идет на создание ядерного оружия. Изотопный состав плутония, предназначенного для создания ядерного оружия (плутония оружейного качества), и плутония, выделенного из отработанного реакторного топлива (плутония реакторного) различен.

Однако для изготовления ядерного оружия может быть использован плутоний практически любого изотопного состава. Замена плутония оружейного качества на плутоний реакторного качества приведет к некоторым усложнениям.

Кроме своего оружейного назначения, плутоний может потенциально применяться для производства электроэнергии. Единственную крупную программу по энергетическому использованию плутония имеет только Япония. Это показывает его экономическую неконкурентноспособность по сравнению с ураном в течении десятилетий, по следующим причинам. Стоимость переработки реакторного топлива для извлечения плутония значительно выше, чем цена низкообогащенного урана.

Плутоний имеет и несколько других применений. Самое широко распространенное из них - в радиоизотопных дымовых детекторах в Европе (в США такие же детекторы изготавливаются из америция из-за его более короткого времени полураспада). Плутониево-бериллиевый сплав работает как лабораторный источник нейтронов. Изотоп Pu-238 находится в ряде атомных термоэлектрических генераторах энергии на борту космических исследовательских аппаратов, благодаря долгому времени жизни и высокой тепловой мощности.

В реакторе для облучения урана-238 создаются нейтроны в результате стационарной цепной реакции деления ядер урана-235. В среднем на одно деление U-235 возникает 2.5 нейтрона. Для поддержания реакции и одновременной наработки плутония необходимо, чтобы в среднем один или два нейтрона поглотились бы U-238, а один вызвал бы деление следующего атома U-235.

Нейтроны, возникающие при делении урана обладают очень большими скоростями. Атомы урана устроены таким образом, что захват быстрых нейтронов ядрами и U-238 и U-235 маловероятен. Поэтому быстрые нейтроны испытав несколько соударений с окружающими атомами постепенно замедляются. При этом ядра U-238 так сильно поглощают такие нейтроны (промежуточных скоростей), что ничего не остается для деления U-235 и поддержания цепной реакции (U-235 делится от медленных, тепловых нейтронов).

С этим борется замедлитель, окружающее блоки с ураном какое-нибудь легкое вещество. В нем нейтроны тормозятся без поглощения, испытывая упругие столкновения, в каждом из которых теряется малая часть энергии. Хорошими замедлителями являются вода, углерод. Таким образом, замедленные до тепловых скоростей нейтроны путешествуют по реактору, пока не вызовут деление U-235 (U-238 поглощает их очень слабо). При определенной конфигурации замедлителя и урановых стержней создадутся условия для поглощения нейтронов и U-238 и U-235.

В реакторе находящийся в топливных стержнях уран-238 преобразуется в расщепляющийся плутоний-239. Это происходит в результате поглощения нейтронов и последующих ядерных реакций. С течением времени путем поглощения добавочного нейтрона некоторое количество плутония-239 преобразуется в нерасщепляющийся плутоний-240. В ходе эксплуатации реактора все большее количество урана-238 превращается в плутоний-239, что также приводит к растущей концентрации плутония-240. При более длительном облучении образуются и более высокие изотопы - плутоний-241 и плутоний-242.

Как правило, в гражданских реакторах отработанное топливо представляет собой отработанное ядерное топливо "глубокого выгорания" – т.е. оно облучалось в реакторе в течение продолжительного времени с целью производства большего количества энергии. Обычно отработанное топливо водяных реакторов под давлением (наиболее распространенного типа гражданских реакторов) содержит примерно 0,7 процентов плутония-239 и плутония-241 (расщепляющиеся изотопы) и 0,2 процента нерасщепляющихся изотопов плутония. Уран, облучаемый для выделения оружейного плутония, является топливом "неглубокого выгорания". Оно не подлежит длительному облучению с целью минимизировать образование плутония-240 и других нежелательных более высоких изотопов плутония. Отработанное топливо военных реакторов содержит небольшое количество плутония, в основном, представленного изотопом плутония-239. Плутоний, содержащий менее 6-7 процентов плутония-240, считается "оружейным", однако ядерный боеприпас можно создать и на основе плутония "глубокого выгорания" коммерческих реакторов.