Die Weitergabe von spaltbarem Material (wie ²³⁹Pu und ²⁴¹Pu) sowie von Materialien, die zu ihrer Herstellung geeignet sind, an Staaten, die keine Kernwaffen besitzen, unterliegt laut Absatz III desAtomwaffensperrvertrages der Kontrolle der IAEO.

In Deutschland regelt das Atomgesetz den Umgang mit spaltbarem Material. Es bestimmt, wer unter welchen Bedingungen Plutonium in Deutschland befördern und besitzen darf.

Plutonium entsteht unvermeidlich in den mit ²³⁸U-reichen Isotopengemischen betriebenen Kernkraftwerken. Dabei wird das eingesetzte ²³⁸U durch Einfang eines Neutrons und nachfolgendem Betazerfall zu ²³⁹Pu umgewandelt.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Ein weiteres Neutron führt in den meisten Fällen zur Kernspaltung, zum Teil entsteht jedoch das Isotop ²⁴⁰Pu. Da dieses Isotop nur schlecht spaltbar ist, führt weiterer Neutroneneinfang zur Entstehung von ²⁴¹Pu, das wiederum gut spaltbar ist. Allerdings werden nicht alle Atome gespalten, so dass bei einigen davon der Brutprozess zu ²⁴²Pu und noch schwereren Isotopen fortgesetzt werden kann. Weil jedoch das spaltbare ²⁴³Pu eine sehr kurzeHalbwertszeit hat, ist ein weiterer Neutroneneinfang, der meistens zur Spaltung oder – in selteneren Fällen – zur Erzeugung von Plutonium ²⁴⁴Pu führt, unwahrscheinlich.

Der Plutonium-Brutprozess ist daher praktisch beim²⁴³Pu zu Ende und führt über den Betazerfall von ²⁴³Pu zum Americium-Isotop ²⁴³Am.

Da jede Stufe dieser aufeinander aufbauenden Kernreaktionen eine gewisse Zeit braucht, ändern sich im Laufe der Zeit die relativen Mengen der Isotope im Reaktorkern. Die Raten, mit der die Kernreaktionen ablaufen, hängen von der Geschwindigkeitsverteilung der Neutronen ab. Weil ein großer Teil der leicht spaltbaren Isotope jedoch gespalten wird und sich nicht in andere Isotope umwandelt, nimmt die mögliche Ausbeute (Effizienz) des Brutprozesses mit der Erzeugung jedes weiteren leicht spaltbaren Isotops ab.

Das leichtere Isotop ²³⁸Pu wird bei Bedarf gezielt hergestellt. Es entsteht durch Einfang mehrerer Neutronen aus dem Uran-Isotop ²³⁵U. Dabei entsteht zuerst ein ²³⁶U-Kern in einem angeregten Zustand, der eine Halbwertszeit von 120 Nanosekunden hat und sich mit hoher Wahrscheinlichkeit spaltet. Angeregte ²³⁶U-Kerne können jedoch auch durch Emission von Gamma-Strahlung in den langlebigen Grundzustand übergehen. Durch weiteren Neutroneneinfang und β-Zerfall entsteht Neptunium ²³⁷Np. Nach einer gewissen Bestrahlungszeit wird das Neptunium, das fast ausschließlich aus ²³⁷Np besteht, aus den Brennstäben extrahiert. Das Neptunium wird nun in Form von reinen Neptunium-Brennstäben wieder in einen Reaktor eingefügt und mit Neutronen bestrahlt. Es wandelt sich dabei durch Neutroneneinfang in ²³⁸Np um, das durch Betastrahlung zu ²³⁸Pu zerfällt.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Beim Abbrand eines schwach angereicherten Brennelementes (links) sinkt der Anteil an ²³⁵U, neue Elemente entstehen

Die so behandelten Brennstäbe enthalten auch schwerere Plutoniumisotope. Außerdem werden einige der Neptunium-Atome auch von Neutronen über 6,27 MeV Energie getroffen, wodurch in geringer Menge auch ²³⁶Pu entsteht. Dieses zerfällt über die Thorium-Reihe, in der der starke Gammastrahler Thallium ²⁰⁸Tl vorkommt.

Wird ²³⁹Pu durch schnelle, also nicht abgebremste Neutronen gespalten, ist die durchschnittliche Zahl neu freigesetzter Neutronen pro gespaltenem Atomkern besonders hoch. In einem solchen Reaktor kann daher theoretisch mehr ²³⁸U in neues ²³⁹Pu umgewandelt werden, als gleichzeitig durch Spaltung verbraucht wird. Er wird deshalb als Brutreaktor oder „schneller Brüter“ bezeichnet. In der Praxis wurde aber bisher eine maximale Konversionsrate von 0,7 verwirklicht, das Funktionieren einer Brutreaktoren-"Wirtschaft" somit bisher nicht im großen demonstriert.

Das Plutonium befindet sich nach der Herstellung zusammen mit den Spaltprodukten und unverbrauchtem Rest-Kernbrennstoff in den abgebrannten Brennelementen. Durch den PUREX-Prozess können inWiederaufarbeitungsanlagen das entstandene Plutonium und das ebenfalls erwünschte Uran aus ihnen herausgelöst werden. Dazu wird das Material zunächst in Salpetersäure gelöst und das Plutonium und Uran mit Tri-n-butyl-phosphat extrahiert. Die Spaltprodukte und anderen Bestandteile bleiben dabei zurück. Im Jahr werden etwa 20 Tonnen Plutonium, überwiegend in Form des Isotops ²³⁹Pu, produziert.