Plutonium in reiner Form ist ein silbrig glänzendes, radioaktives Schwermetall mit sehr hoher Dichte. Im Vergleich zu den anderen Metallen ist es ein sehr schlechter Strom- und Wärmeleiter. Von dem Element sind sechs Modifikationen bekannt, die durch das Erwärmen des Metalls zugänglich sind. Das bei Raumtemperatur vorliegende α-Plutonium dehnt sich beim Erwärmen ungewöhnlich stark aus, während das bei 319 °C zugängliche δ-Plutonium wieder kontraktiert. Plutonium eignet sich zum Bau von Kernwaffen.   

Plutonium als Vertreter in der Gruppe der Actinide ähnelt in seinen chemischen Eigenschaften dem Actinium und auch dem Uran. Es ist sehr reaktionsfähig und läuft an der Luft infolge einer Oxidation rasch an. Das Metall löst sich in Salzsäure, wird aber von konzentrierter Schwefelsäure und Salpetersäure infolge einer Passivierung nicht angegriffen. Mit Nichtmetallen wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff bilden sich die entsprechenden Hydride, Oxide, Nitride oder Carbide. Die Kationen der Plutoniumsalze bilden mit Wasser farbige Lösungen. Reines Plutonium eignet sich als Kernbrennstoff nicht, da die Isotope sich selbst aufheizen und die Umhüllungsmaterialien angreifen.  

Plutonium gehört zu den fünf seltensten, natürlich vorkommenden Elementen auf der Erde. Die Gewinnung erfolgt aber nicht aus den natürlichen Vorkommen, sondern aus Kernreaktionen.

Plutonium-Isotope kommen in Uranmineralien wie in der Pechblende, aber auch zum Beispiel im Cermineral Monazit vor. Dort bildet sich das Element durch den Einfang von Neutronen durch Uran-238, wobei sich zunächst Uran-239 und dann durch β-Zerfall Neptunium-239 und schließlich Plutonium-239 bildet. Die größte Menge des heute in der Natur vorkommenden Plutoniums stammt jedoch aus Kernwaffenversuchen und aus verglühten Satelliten, die mit plutoniumhaltigen Isotopenbatterien bestückt waren. 

Das Element wurde von den Amerikanern Glenn T. Seaborg, Edwin M. McMillan, Joseph W. Kennedy und Arthur C. Wahl im Jahre 1940 an der Universität Berkeley in Kalifornien erstmals künstlich hergestellt und entdeckt. Es war damit als „Transuran“ nach Neptunium das zweite künstlich hergestellte Element. Sie beschichteten eine Kupferplatte mit einem Oxid des Isotops U-238 und beschossen es mit Deuterium. Dabei entstand das Isotop Np-238, das sich durch β-Zerfall in Pu-238 umwandelte. Durch die Bestrahlung mit schnellen Neutronen erhielten sie gleichzeitig das Isotop Pu-239. Nach einer längeren Phase der Geheimhaltung erhielt das Element im März 1942 seinen Namen in der Reihenfolge der Planeten und der Entdeckung der Transurane: Uran benannte man nach dem Planeten Uranus, Neptunium nach Neptun und Plutonium nach Pluto.

Von 1943 bis 1945 baute die USA unter der Leitung von J. Robert Oppenheimer (1904–1967) die ersten Atombomben im geheimen „Manhattan Projekt“ in Los Alamos. Die erste jemals gezündete Atombombe „The Gadget“, die am 16. Juli 1945 in der Wüste von New Mexiko als „Trinity“-Test in die Geschichte einging, beruhte auf dem Prinzip einer Plutonium-Implosionsbombe. Dabei wird eine noch nicht kritische Masse mit waffenfähigem Plutonium, zum Beispiel eine Hohlkugel, mit einem starken Sprengstoff verdichtet und zur Kettenreaktion gebracht. Das Plutonium dafür wurde nicht in Los Alamos, sondern im geheimen Nuklearkomplex Hanford Site im Südosten des US-Bundesstaats Washington hergestellt. In einem Kraftakt von nur etwa zwei Jahren stellte man waffenfähiges Plutonium her. Die wassergekühlten und mit Graphit moderierten Produktionsreaktoren dienten nicht zur Energieerzeugung, sondern nur zur Herstellung von Plutonium-239 aus natürlichem Uran-238 durch Neutroneneinfang (Reaktionstyp siehe unten). Die Atombombe „Fat Man“, die am 9. August 1945 auf die japanische Stadt Nagasaki abgeworfen wurde, war eine Plutonium-Implosionsbombe. Sie explodierte mit der Wirkung von 22000 Tonnen TNT (22 kt) und tötete 39000 Menschen. 

Atombombenabwurf auf Nagasaki am 9. August 1945

Bildquelle: U.S. military or Department of Defense, public domain, aufgenommen durch B-29-Bomber.

Plutonium-239 lässt sich im Schnellen Brüter (oder Brutreaktor) aus Uran-238 herstellen. Man verwendet natürliches Uran, das zu 99,3 Prozent aus Uran-238 und zu 0,7 Prozent aus dem spaltbaren Isotop U-235 besteht. Bei der Kernspaltung des Urans-235 entstehen schnelle Neutronen, die mit dem Uran-238 eine Kernreaktion eingehen:



Durch β-Zerfall bildet sich zunächst Neptunium-239 und dann Plutonium-239 mit einer Halbwertszeit von 24100 Jahren. Flüssiges Natrium dient als Kühlmittel. Ein Schneller Brüter kann auf diese Weise bis zu 0,6 Kilogramm Plutonium pro Tag erbrüten.

Aus den ausgebrannten Uran-Brennstäben der Leichtwasserreaktoren lässt sich reaktorfähiges Plutonium herstellen. Nach zwei Jahren Betriebszeit und zwei Jahren Lagerdauer enthalten die Uran-Brennstäbe pro Tonne bis zu zehn Kilogramm Plutonium-Isotope, die sich durch das Purex-Verfahren abtrennen lassen (Plutonium-uranium-refining by extraction). Dabei werden die Isotope mit dem Lösungsmittel Tributylphosphat (TBP) extrahiert und danach von anderen Spaltprodukten gereinigt.

Die so gewonnenen Plutonium-Isotope sind durch Neutronenbeschuss wieder spaltbar. Plutonium-239 produziert bei jeder Kernspaltung durchschnittlich 2,7 Neutronen, so dass eine Kettenreaktion ausgelöst wird. Die Neutronen sind sehr schnell, was zu einem Abbruch der Kettenreaktion führen kann. Durch einen Moderator wie Schweres Wasser oder Graphit werden sie gebremst, was die Reaktion stabilisiert. Wie bei der Kernspaltung beim Uran entsteht Energie, die aus den Massendefekten errechnet werden kann. Bei der Spaltung entstehen meist zwei neue Kerne, von denen einer schwerer ist, und je nach Reaktion meist zwei oder drei Neutronen:  





Das für Brennstäbe hergestellte Plutonium eignet sich nicht für Kernwaffen. Kernwaffenfähiges Material muss eine hohe Isotopen-Reinheit besitzen. Man erhält es durch eine mehrwöchige Bestrahlung von Uran-238 mit Neutronen in Schwerwasserreaktoren. Die Kettenreaktion bei einer Plutonium-239-Atombombe wird beim Überschreiten der kritischen Masse bei 5,4 Kilogramm ausgelöst. Eine Kugel mit etwa acht Zentimeter Durchmesser besitzt bereits diese kritische Masse! Die kritische Masse des Plutoniumoxids PuO₂ liegt bei 12,8 Kilogramm. Wässrige Lösungen besitzen sogar noch wesentlich niedrigere kritische Massen, so dass dadurch der Bau von Mini-Atombomben durchaus möglich ist.