พลูโทเนียม (อังกฤษ: Plutonium) เป็นธาตุที่มีเลขอะตอม 94 และสัญลักษณ์ คือ Pu เป็นธาตุโลหะกัมมันตรังสี เป็นโลหะแอกทิไนด์สีขาวเงิน และจะมัวลงเมื่อสัมผัสอากาศซึ่งเกิดจากการรวมตัวกับออกซิเจน โดยปกติ พลูโทเนียมมี 6 ไอโซโทป และ 4 สถานะออกซิเดชัน สามารถเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับคาร์บอน ฮาโลเจน ไนโตรเจน และซิลิกอน เมื่อสัมผัสอากาศชื้นจะสร้างสารประกอบออกไซด์และไฮไดรด์มากกว่า 70 % ของปริมาตรซึ่งจะแตกออกเป็นผงแป้งที่สามารถติดไฟได้เอง พลูโทเนียมมีพิษที่เกิดจากการแผ่รังสีที่จะสะสมที่ไขกระดูก นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติอื่น ๆ ที่ทำให้การจัดการพลูโทเนียมเป็นเรื่องที่อันตรายมาก
ไอโซโทปที่สำคัญของพลูโทเนียม คือ พลูโทเนียม-239 ซึ่งมีครึ่งชีวิต 24,100 ปี พลูโทเนียม-239 และ 241 เป็นวัสดุฟิสไซล์ ซึ่งหมายความว่านิวเคลียสของอะตอมสามารถแตกตัว โดยชนของนิวตรอนความร้อนเคลื่อนที่ช้า ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงาน รังสีแกมมา และนิวตรอนจำนวนมาก ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ นำไปสู่การประยุกต์สร้างอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ไอโซโทปที่เสถียรที่สุด คือ พลูโทเนียม-244 ซึ่งมีครึ่งชีวิตประมาณ 80 ล้านปี นานพอที่จะสามารถพบได้ในธรรมชาติ พลูโทเนียม-238 มีครึ่งชีวิต 88 ปี และปลดปล่อยอนุภาคแอลฟาออกมา มันเป็นแหล่งความร้อนของเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสี ซึ่งใช้ในการให้พลังงานในยานอวกาศ พลูโทเนียม-240 มีอัตราของการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอมด้วยตัวเองสูง เป็นการเพิ่มอัตรานิวตรอนพื้นฐานของตัวอย่างที่มีไอโซโทปนี้ประกอบอยู่ด้วย การมีอยู่ของ Pu-240 เป็นข้อจำกัดสมรรถภาพของพลูโทเนียมที่ใช้ในอาวุธหรือแหล่งพลังงานและเป็นตัวกำหนดเกรดของพลูโทเนียม: อาวุธ (< 7%), เชื้อเพลิง (7–19%) และเกรดเครื่องปฏิกรณ์ (> 19%)
ธาตุลำดับที่ 94 สังเคราะห์ได้เป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1940 โดยทีมของ เกลนน์ ที. ซีบอร์ก และ เอดวิน แมกมิลแลน ที่ห้องวิจัยในมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์โดยระดมยิงยูเรเนียม-238 ด้วยดิวเทอรอน แมกมิลแลนตั้งชื่อธาตุนี้ตามดาวพลูโต และซีบอร์กเสนอสัญลักษณ์เป็น Pu ซึ่งเป็นเรื่องตลกเล็ก ๆ ต่อมามีการพบพลูโทเนียมในธรรมชาติ การค้นพบพลูโทเนียมถูกรักษาไว้เป็นความลับซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการแมนฮัตตันเพื่อพัฒนาระเบิดปรมาณูในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง การทดลองอาวุธนิวเคลียร์ครั้งแรกคือ "ทรินนิที" (กรกฎาคม ค.ศ. 1945) และระเบิดปรมาณูที่นำไปใช้ทำลายเมืองในครั้งที่สอง (นะงะซะกิ ญี่ปุ่น สิงหาคม ค.ศ. 1945) คือ "แฟตแมน" ระเบิดทั้งสองใช้แกนเป็น Pu-239 ทดลองผลของพลูโทเนียมต่อมนุษย์โดยไม่มีการแจ้งยินยอม และอุบัติเหตุมวลถึงระดับวิกฤต จนเป็นเหตุให้มีผู้เสียชีวิตนั้น เกิดขึ้นในระหว่างและหลังสงคราม การจัดการกับกากพลูโทเนียมจากโรงงานพลังงานนิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ที่ถูกแยกส่วนทำลายซึ่งสร้างในระหว่างสงครามเย็นเป็นความกังวลหลักในเรื่องการเพิ่มขึ้นของนิวเคลียร์ สุขภาพ และสิ่งแวดล้อม แหล่งที่มาอื่น ๆ ของพลูโทเนียมในธรรมชาติคือฝุ่นรังสีนิวเคลียร์จากการทดลองนิวเคลียร์ทั้งบนดินและใต้ดินและอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์
พลูโทเนียมมีลักษณะเป็นโลหะสีขาวเงินคล้ายนิกเกิล แต่เมื่อรวมตัวกับออกซิเจนจะเปลี่ยนเป็นสีเทามอ ๆ หรือเป็นสีเขียวเข้มปนเหลืองตามที่มีการรายงาน ที่อุณหภูมิห้อง พลูโทเนียมมีกัมมันตภาพรังสีเป็นรังสีแอลฟา รูปแบบโครงสร้างที่พบได้มากที่สุดของพลูโทเนียม มีลักษณะแข็งและเปราะ แตกหักง่ายคล้ายเหล็กที่มีคาร์บอนสูง ยกเว้นเมื่อเจือกับโลหะอื่น จึงจะมีลักษณะนิ่มและดัดได้ แตกต่างจากโลหะส่วนใหญ่ พลูโทเนียมนำความร้อนและกระแสไฟฟ้าไม่ดี, มีจุดหลอมเหลวต่ำ (640 ?C) และมีจุดเดือดสูง (3,327 ?C)
การสลายให้อนุภาคแอลฟาได้ปลดปล่อยนิวเคลียสฮีเลียมที่มีพลังงานสูงออกมา ซึ่งเป็นการแผ่รังสีชนิดก่อไอออนโดยส่วนมากของพลูโทเนียม เพราะความร้อนจากการปลดปล่อยอนุภาคแอลฟานี้ ดังนั้นเมื่อสัมผัสก้อนพลูโทเนียมขนาดเท่าลูกเบสบอลจึงรู้สึกอุ่น ถ้าเป็นก้อนขนาดใหญ่สามารถต้มน้ำ 1 ลิตรให้เดือดได้ใน 2-3 นาที
ความต้านทานไฟฟ้าของพลูโทเนียมที่อุณหภูมิห้องมีค่าสูงและสูงมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงซึ่งตรงข้ามกับโลหะทั่วไป เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 100 K หรือต่ำกว่าความต้านทานจะลดลงอย่างรวดเร็ว และความต้านทานจะเริ่มสูงขึ้นที่อุณหภูมิ 20 K เพราะผลจากการแผ่รังสี โดยอัตราขึ้นอยู่กับส่วนประกอบไอโซโทปของตัวอย่าง
พลูโทเนียมสามารถเรืองแสงได้ด้วยตัวเองจึงเกิดความล้าตลอดโครงสร้างผลึกซึ่งหมายถึงระเบียบลำดับของอะตอมมีความยุ่งเหยิงเนื่องจากการแผ่รังสี อย่างไรก็ตามการเรืองแสงด้วยตัวเองสามารถนำไปสู่การอ่อนตัวที่ลดผลกระทบของความล้าตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงกว่า 100 K
พลูโทเนียมไม่เหมือนกับวัสดุส่วนมาก ความหนาแน่นของพลูโทเนียมจะเพิ่มขึ้นประมาณ 2.5% เมื่อละลาย แต่โลหะเหลวแสดงการลดลงเป็นเชิงเส้นตามอุณหภูมิ เมื่อใกล้จุดหลอมเหลว พลูโทเนียมเหลวมีความหนืดและแรงตึงผิวสูงมากเมื่อเทียบกับโลหะอื่น
พลูโทเนียมมีอัญรูปที่ต่างกันโดยปกติ 6 ชนิดและชนิดที่ 7 (zeta, ?) ภายใต้อุณหภูมิสูงและระยะความดันจำกัดทุกอัญรูปมีโครงสร้างหรือรูปแบบของธาตุที่ต่างกัน มีความหนาแน่นและโครงสร้างผลึกต่างกันแต่มีพลังงานภายในใกล้เคียงกันมาก ทำให้พลูโทเนียมไวเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ, ความดัน หรือสภาวะทางเคมี และปริมาตรมีการเปลี่ยนแปลงสูงตามการเปลี่ยนสถานะจากอัญรูปหนึ่งไปสู่อัญรูปหนึ่ง พลูโทเนียมจะมีความหนาแน่นเพิ่มขึ้นเมื่อหลอมละลาย ประมาณ 2.5% แต่เมื่อเป็นของเหลวความหนาแน่นจะลดลงเป็นเชิงเส้นโดยเทียบกับอุณหภูมิ ความหนาแน่นในรูปแบบต่างๆจะอยู่ที่ 16.00 g/cm3 ถึง 19.86 g/cm3
การมีหลายอัญรูปของพลูโทเนียมทำให้การตัดแบ่งพลูโทเนียมได้ยากเพราะมันเปลี่ยนสภาวะได้อย่างรวดเร็ว เช่นปล่อยรังสี ? ที่อุณหภูมิห้องในพลูโทเนียมบริสุทธิ์ มันมีลักษณะการตัดแบ่งคล้ายเหล็กหล่อแต่จะเปลี่ยนเป็นพลาสติกและปล่อยรังสี ? อ่อนๆเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเล็กน้อย การปล่อยรังสี ? มีโครงสร้างผลึกแบบโมโนคลีนิคความสมมาตรต่ำ นอกจากนั้น มันเปราะบาง, แข็ง, อัดได้ และนำไฟฟ้าได้ไม่ดี
พลูโทเนียมจะปล่อยรังสี ? นั้น ปกติจะพบที่อุณหภูมิ 310 ?C ถึง 452 ?C แต่จะเสถียรที่อุณหภูมิห้องเมื่อผสมแกลเลียม, อะลูมิเนียม, หรือซีเรียมเล็กน้อย, เพื่อปรับปรุงให้สามารถเชื่อมต่อกันได้ รูปแบบเดลตามีลักษณะคล้ายโลหะหลายอย่าง และโดยทั่วไปจะแข็งและดัดได้เหมือนอะลูมิเนียม
พลูโทเนียมเป็นโลหะแอกทิไนด์กัมมันตภาพรังสีซึ่งไอโซโทปพลูโทเนียม-239 (Pu-239) เป็นหนึ่งในสามไอโซโทปแรกของวัสดุฟิสไซล์ (อีก 2 ชนิดคือยูเรเนียม-233 และ ยูเรเนียม-235) นิวเคลียสอะตอมของไอโซโทปสามารถแตกตัวหรือแบ่งแยกนิวเคลียสเมื่อถูกชนด้วยนิวตรอนที่เคลื่อนที่ช้าและปลดปล่อยนิวตรอนมาเพียงพอที่จะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ทางนิวเคลียร์โดยแบ่งแยกนิวเคลียสเพิ่มมากขึ้น
Pu-239 มีค่าองค์ประกอบทวีคูณ (k) มากกว่าหนึ่งซึ่งหมายถึง ถ้าพลูโทเนียมมีมวลพอเพียงและรูปทรงที่เหมาะสม (เช่น ถูกอัดเป็นทรงกลม) มันจะมีมวลวิกฤต ระหว่างการแบ่งแยกนิวเคลียส ส่วนของพลังงานยึดเหนี่ยวซึ่งยึดนิวเคลียสไว้ด้วยกันจะปลดปล่อยความร้อน, คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า และพลังงานจลน์ออกมาจำนวนมาก พลูโทเนียมหนึ่งกิโลกรัมสามารถสร้างแรงระเบิดเท่ากับระเบิดทีเอ็นที 20,000 ตัน มันมีพลังงานมากพอที่ทำให้ Pu-239 สามารถนำไปใช้สร้างอาวุธนิวเคลียร์และใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
การมีอยู่ของไอโซโทปพลูโทเนียม-240 (Pu-240) นั้นเป็นสิ่งจำกัดสมรรถภาพของระเบิดนิวเคลียร์ เพราะ Pu-240 มีอัตราการแบ่งแยกนิวเคลียส (ฟิชชัน) ด้วยตนเองสูง (~440 นิวตรอนต่อวินาทีต่อกรัม—มากกว่า 1,000 นิวตรอนต่อวินาทีต่อกรัม) ยิ่งมีระดับนิวตรอนสูงยิ่งเป็นเหตุให้ระเบิดเสี่ยงทำงานล้มเหลว พลูโทเนียมแบ่งเป็นเกรดสำหรับทำอาวุธ,เกรดสำหรับเป็นเชื้อเพลิง และเกรดสำหรับใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งแบ่งตามอัตราร้อยละของ Pu-240 ในส่วนประกอบ เกรดสำหรับทำอาวุธจะมี Pu-240 น้อยกว่า 7% Pu-240 เกรดสำหรับเป็นเชื้อเพลิงจะมี Pu-240 7% ถึง 19% และเกรดสำหรับใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์จะมี Pu-240 19% หรือมากกว่า ไอโซโทปพลูโทเนียม-238 (Pu-238) นั้นไม่สามารถเกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแตกตัวได้ถึงแม้มันจะมีการสลายปลดปล่อยรังสีแอลฟาก็ตาม
พลูโทเนียมมี 12 ไอโซโทป Pu-244 มีอายุมากที่สุด มีครึ่งชีวิต 80.8 ล้านปี, Pu-242 มีครึ่งชีวิต 373,300 ปี, และ Pu-239 มีครึ่งชีวิต 24,110 ปี ไอโซโทปที่เหลือมีครึ่งชีวิตต่ำกว่า 7,000 ปี มีสภาวะไม่เสถียร 8 สภาวะที่มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 1 วินาที
ไอโซโทปของพลูโทเนียมมีเลขมวลระหว่าง 228 ถึง 247 ไอโซโทปที่เสถียรและมีเลขมวลต่ำที่สุดคือ Pu-244 มีการสลายตัวโดยเกิดฟิชชันขึ้นเองและปล่อยรังสีแอลฟาออกมา และส่วนมากกลายเป็นไอโซโทป ยูเรเนียม (92 โปรตอน) และ เนปทูเนียม (93 โปรตอน) ส่วนขั้นแรกของการสลายไอโซโทปที่เลขมวลมากกว่า Pu-244 คือการปลดปล่อยรังสีเบต้าและส่วนมากจะกลายเป็นไอโซโทปอะเมริเซียม (95 โปรตอน)
อนุกรมการสลายเนปทูเนียม (neptunium decay series) มี Pu-241 เป็นไอโซโทปตั้งต้นของอนุกรม สลายกลายเป็นอะเมริเซียม-241 ร่วมกับการปลดปล่อยอิเล็กตรอนหรือรังสี ?
Pu-238 และ Pu-239 เป็นการสังเคราะห์ไอโซโทปที่แพร่หลายมาก Pu-239 ถูกสังเคราะห์โดยใช้ยูเรเนียม (U) และนิวตรอน (n) ร่วมกับการสลายปลดปล่อยรังสีบีตา (??) เป็นเนปทูเนียม (Np) ซึ่งเป็นตัวกลาง:
นั่นก็คือนิวตรอนจากการฟิชชันของ U-235 จะถูกจับโดยนิวเคลียสของ U-238 กลายเป็น U-239 จากนั้นการสลายปลดปล่อยรังสีบีตา จะเพิ่มโปรตอนกลายเป็น Np-239 (ครึ่งชีวิต 2.36 วัน) และสลายปลดปล่อยรังสีบีตาอีกครั้งกลายเป็น Pu-239 ผู้ที่ทำงานในโครงการทูบ อัลลอยส์ (Tube Alloys) ทำนายปฏิกิริยานี้ตามหลักทฤษฎีได้ในปี ค.ศ. 1940
ในสมการ ดิวเทอเรียมที่ยิงใส่ U-238 ทำให้เกิด 2 อนุภาคนิวตรอนและ Np-238 และจะแผ่กัมมันตภาพรังสีโดยปล่อยรังสีเบต้าลบออกมาแล้วกลายไปเป็น Pu-238
ไอโซโทปของพลูโทเนียมภายใต้การสลายตัวของสารกัมมันตรังสีจะสร้างความร้อนจากการสลาย (decay heat) ขึ้น ไอโซโทปที่ต่างกันจะให้ผลรวมความร้อนต่อมวลที่ต่างกัน ความร้อนจากการสลายจะมีหน่วยเป็นวัตต์/กิโลกรัม หรือ มิลลิวัตต์/กรัม ในกรณีพลูโทเนียมที่มีขนาดใหญ่ (เช่น เบ้าอาวุธ) การระบายความร้อนที่เกิดจากตัวมันเองนั้นอาจจะเป็นเรื่องสำคัญมาก ทุกไอโซโทปจะสร้างรังสีแกมมาอ่อนๆจากการสลาย
ที่อุณหภูมิห้อง พลูโทเนียมบริสุทธิ์จะมีสีเงินและจะคล้ำขึ้นเรื่อยๆเมื่อรวมตัวกับออกซิเจน ไอออนของสารละลายพลูโทเนียมมี 5 สถานะออกซิเดชันในสารละลายในน้ำ:
สีของสารละลายพลูโทเนียมขึ้นกับสภาวะออกซิเดชันและสภาพความเป็นกรดของไอออนที่มีประจุลบสภาพความเป็นกรดของไอออนที่มีประจุลบจะกำหนดความเข้มข้นของสารเชิงซ้อนของพลูโทเนียม
โลหะพลูโทเนียมสร้างโดยเกิดปฏิกิริยาทางเคมีของฟลูออไรด์พลูโทเนียม (IV) กับแบเรียม, แคลเซียม, หรือลิเทียมที่อุณหภูมิ 1200 ?C มันทำปฏิกิริยากับกรด, ออกซิเจน, และไอน้ำแต่ไม่ทำปฏิกิริยากับอัลคาไลและละลายได้ง่ายในไฮโดรคลอริกเข้มข้น, ไฮโดรไอโอดิก และกรดเปอร์คลอริก โลหะเหลวนี้ต้องถูกเก็บในสุญญากาศหรือในอากาศเฉื่อยเพื่อป้องกันการทำปฏิกิริยาทางเคมีกับอากาศ ที่อุณหภูมิ 135 ?C พลูโทเนียมจะติดไฟในอากาศและจะระเบิดเมื่อนำไปใส่ในคาร์บอนเตตระคลอไรด์
พลูโทเนียมเป็นโลหะที่เกิดปฏิกิริยาในอากาศชื้นหรืออาร์กอนชื้น มันจะรวมตัวกับออกซิเจนอย่างรวดเร็วและสร้างส่วนผสมระหว่างออกไซด์และไฮไดรด์ ถ้าโลหะพลูโทเนียมถูกวางไว้ไอน้ำนานพอ จะเกิดผง PuO2 ที่ผิวหน้า พลูโทเนียมไฮไดรด์ก็ถูกสร้างขึ้นมาเช่นกันแต่ไอน้ำส่วนเกินนั้นทำให้เกิดเพียง PuO2 เท่านั้น
ด้วยสิ่งปกคลุมนี้ ทำให้โลหะผสมพลูโทเนียมเป็นไพโรโฟริก (pyrophoric) หมายความว่ามันสามารถติดไฟได้โดยธรรมชาติ ปกติการจัดการกับพลูโทเนียมจึงทำในก๊าซเฉื่อยและอากาศแห้งอย่างไนโตรเจนหรืออาร์กอน ออกซิเจนจะหน่วงผลของความชื้นและกระทำตัวเป็นตัวกระทำแบบไม่มีปฏิกิริยา
พลูโทเนียมเกิดปฏิกิริยาทางเคมีกับออกซิเจนอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิด PuO และ PuO2 พร้อมกับออกไซด์ตัวกลาง คือพลูโทเนียมออกไซด์มากกว่า 40% โดยปริมาตรโลหะพลูโทเนียม มันจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับกับแฮโลเจนทำให้เกิดสารประกอบ อย่าง PuX3 โดยที่ X สามารถเป็น F, Cl, Br หรือ I และแม้แต่ทำให้เกิด PuF4 ด้วยเช่นกัน สิ่งที่เกิดตามมาจากการสังเกตออกซิแฮไลด์: PuOCl, PuOBr และ PuOI เมื่อมันทำปฏิกิริยาทางเคมีกับคาร์บอนจะสร้าง PuC, ทำปฏิกิริยาทางเคมีกับไนโตรเจนจะสร้าง PuN และทำปฏิกิริยาทางเคมีกับซิลิคอนจะสร้าง PuSi2
เบ้าที่ใช้ในการบรรจุพลูโทเนียมต้องสามารถต่อต้านคุณสมบัติรีดักชั่น ที่รุนแรงได้ วัสดุทนไฟอย่างแทนทาลัมและทังสเตนพร้อมด้วยออกไซด์, โบไรด์, คาร์ไบด์, ไนไทรด์ และ ซิลิไซด์ที่เสถียรมากสามารถทนพลูโทเนียมได้ การหลอมละลายในเตาไฟฟ้าสามารถให้สร้างแท่งโลหะเล็กๆได้โดยไม่ต้องใช้เบ้าหลอม
พลูโทเนียมสามารถสร้างโลหะผสมและสารประกอบตัวกลางกับโลหะอื่นมากมาย แต่ยกเว้นลิเทียม, โพแทสเซียม และ โซเดียมของโลหะแอลคาไล; แบเรียม, แคลเซียม และ สตรอนเชียม ของโลหะแอลคาไลน์เอิร์ท; และ ยูโรเพียม และ อิตเทอร์เบียมของแรร์เอิร์ท รวมถึงโลหะทนไฟอย่าง โครเมียม, โมลิบดีนัม, ไนโอเบียม, แทนทาลัม และ ทังสเตนซึ่งสามารถละลายได้ในพลูโทเนียมเหลว แต่ไม่ละลายหรือละลายเพียงเล็กน้อยในพลูโทเนียมแข็ง
พลูโทเนียมมีเพียงสองไอโซโทป (Pu-239 และ Pu-244) ที่สามารถพบได้ในธรรมชาติ พบ Pu-244 เพียงเล็กน้อย เกิดจากการสลายอนุภาคในแร่ยูเรเนียมและมีครึ่งชีวิตประมาณ 80 ล้านปี และมีโอกาสเกิด Pu-239 ได้น้อยกว่า (ประมาณ 2-3 ในล้านล้าน) ซึ่งผลิตภัณฑ์จากการสลายอนุภาคของมันนั้นพบตามธรรมชาติในแร่ยูเรเนียมเข้มข้นบางก้อน เช่น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือเตานิวเคลียร์ที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในโอโกล ประเทศกาบอง อัตราส่วนของ Pu-239 ต่อ U ที่เหมืองทะเลสาบไซการ์ แหล่งแร่ยูเรเนียม อยู่ในช่วง 2.4 ? 10?12 ถึง 44 ? 10?12
พบ Pu-239 ในร่างกายมนุษย์เล็กน้อย สาเหตุมาจากการทดลองอาวุธนิวเคลียร์บนพื้นดิน 550 ครั้งเท่าที่มีการรายงาน และส่วนใหญ่ หลายครั้งมาจากอุบัติเหตุทางนิวเคลียร์ การทดลองอาวุธนิวเคลียร์ในบรรยากาศส่วนใหญ่ยุติลงในปี ค.ศ. 1963 โดยลงนามในสนธิสัญญาว่าด้วยการห้ามทดลองนิวเคลียร์แต่เพียงบางส่วน แต่ประเทศฝรั่งเศสนั้นยังคงทดลองต่อเนื่องไปจนถึงช่วงปี ค.ศ. 1980 และบางประเทศก็ยังมีการทดลองหลังปี ค.ศ. 1963 เพราะ Pu-239 เป็นการสร้างขึ้นโดยจำเพาะและเป็นผลของการสลายกัมมันตรังสีของแร่ยูเรเนียม Pu-239 จึงเป็นไอโซโทปที่มีมากที่สุดของพลูโทเนียม
เอนรีโก แฟร์มีและทีมนักวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยแห่งโรมรายงานว่าพวกเขาค้นพบธาตุที่ 94 ในปี ค.ศ. 1934 แฟร์มีเรียกธาตุนี้ว่า เฮสพีเรียม (hesperium) และนั่นทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี ค.ศ. 1938 อย่างไรก็ตาม ธาตุที่เขารายงานนั้นผิดพลาด ตัวอย่างที่แตกตัวนั้นแท้จริงแล้วคือส่วนผสมของแบเรียม (รายงานเป็นธาตุที่ 93), คริปทอน (รายงานเป็นธาตุที่ 94) และธาตุอื่นๆ ซึ่งข้อผิดพลาดนั้นเกิดจาก ณ.เวลานั้นปฏิกิริยานิวเคลียร์แบบแตกตัวยังไม่มีการค้นพบ
พลูโทเนียม (โดยเฉพาะ Pu-238) ถูกสร้างและสกัดได้เป็นครั้งแรกในวันที่ 14 ธันวาคม ค.ศ. 1940 และระบุคุณสมบัติทางเคมีในวันที่ 23 กุมภาพันธ์ ค.ศ. 1941 โดย ดร. เกลนน์ ที. ซีบอร์ก (Glenn T. Seaborg), เอดวิน เอ็ม. แมกมิลแลน (Edwin M. McMillan), โจเซฟ ดับเบิลยู. เคนเนดี (Joseph W. Kennedy), แซกชาร์รี เอ็ม. เททอม (Zachary M. Tatom), และอาร์เทอร์ ซี. วอล์ (Arthur C. Wahl) โดยยิงยูเรเนียมด้วยดิวเทอรอนในเครื่องเร่งอนุภาคไซโคลทรอน (cyclotron) ขนาด 60 นิ้วที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ การทดลองในปี ค.ศ. 1940 เนปทูเนียม-238 ถูกสร้างขึ้นได้โดยตรงโดยระดมยิงอนุภาคแต่จะสลายโดยแผ่รังสีเบต้าในสองวันหลังจากนั้นซึ่งแสดงถึงการก่อรูปของธาตุลำดับที่ 94
เอกสารการค้นพบถูกตระเตรียมและส่งไปที่วารสาร Physical Review (บทวิจารณ์ทางฟิสิกส์) ในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1941 แต่เอกสารถูกเก็บกลับคืนก่อนที่จะถูกตีพิมพ์หลังจากพบว่าไอโซโทปของธาตุใหม่นั้น (Pu-239) สามารถเกิดการแตกตัวทางนิวเคลียร์ได้ซึ่งเป็นหนทางที่อาจใช้ในระเบิดปรมาณู การตีพิมพ์ได้ล่าช้าออกไปจนกระทั่งหนึ่งปีหลังสงครามโลกครั้งที่สองสิ้นสุดลงเพราะความกังวลในเรื่องความปลอดภัย
เอดวิน แมกมิลแลนตั้งชื่อธาตุแรกที่ค้นพบที่มีจำนวนอะตอมสูงกว่าธาตุยูเรเนียมตามดาวเนปจูนและเสนอว่าธาตุที่ 94 ซึ่งเป็นธาตุถัดมา ชื่อก็ควรจะพิจารณาเป็นดาวถัดไป คือดาวพลูโต[note 2] แรกสุดซีบอร์กใช้ชื่อ "พลูเทียม" (plutium) แต่หลังจากนั้นเขาคิดว่า"พลูโทเนียม"ฟังดูดีกว่า เขาเลือกใช้อักษร "Pu" เป็นตัวย่อซึ่งเป็นเรื่องตลกโดยไม่สนใจหมายเหตุในตารางธาตุเลย[note 3] ชื่ออื่นๆ ที่ซีบอร์กและคนอื่นๆ นำมาพิจารณาก็มี "ยูล์ทีเมียม (ultimium)" หรือ "เอ็กทรีเมียม (extremium)" เนื่องจากความเชื่อในขณะนั้นว่าพวกเขาพบธาตุที่อาจเป็นตัวสุดท้ายบนตารางธาตุ
หลังจากสองสามเดือนแรกของการศึกษาเบื้องต้นพบว่าคุณสมบัติพื้นฐานทางเคมีของพลูโทเนียมนั้นคล้ายกับยูเรเนียม การวิจัยในช่วงแรกนั้นกระทำที่ห้องปฏิบัติการโลหะวิทยาลับของมหาวิทยาลัยชิคาโก ในวันที่ 18 สิงหาคม ค.ศ. 1942 พลูโทเนียมปริมาณเล็กน้อยถูกแยกสกัดออกมาและวัดได้เป็นครั้งแรก ประมาณ 50 ไมโครกรัมของพลูโทเนียม-239 รวมตัวกับยูเรเนียมจะให้ผลผลิตการแตกตัว (fission product) เมื่อสกัดออกมามีน้ำหนักประมาณ 1 ไมโครกรัม กระบวนการนี้ช่วยให้นักเคมีสามารถระบุน้ำหนักอะตอมของธาตุชนิดใหม่ได้[note 4]
ในเดือน พฤศจิกายน ค.ศ. 1943 มีการสกัดพลูโทเนียมไตรฟลูออไรด์เพื่อสร้างตัวอย่างโลหะพลูโทเนียมเป็นครั้งแรก เป็นโลหะทรงกลมหนักเพียงสองสามกรัมเท่านั้น ซึ่งพอเพียงที่จะทำให้มองเห็นด้วยตาเปล่าเป็นครั้งแรกในการสังเคราะห์
มีการศึกษาคุณสมบัติทางนิวเคลียร์ของพลูโทเนียม-239 และพบว่าเมื่ออะตอมถูกกระแทกด้วยอนุภาค มันจะแตกตัวและปลดปล่อยอนุภาคและพลังงานจำนวนมาก อนุภาคเหล่านั้นสามารถไปชนอะตอมพลูโทเนียม-239 อื่นและกลายเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์อย่างรวดเร็ว ผลของการระเบิดนี้เพียงพอที่จะทำลายเมืองได้ถ้าไอโซโทปเข้มข้นเพียงพอที่จะทำให้เกิดมวลวิกฤต
ระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง รัฐบาลสหรัฐอเมริกาได้จัดตั้งโครงการแมนฮัตตันขึ้น โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อพัฒนาระเบิดปรมาณู สถานที่วิจัยและผลิตสามแห่งแรกของโครงการคือ โรงงานผลิตพลูโทเนียมอยู่ที่แฮนฟอร์ด โรงงานเสริมสมรรถนะยูเรเนียมอยู่ที่โอ๊ก ริดจ์ รัฐเทนเนสซี และห้องทดลองออกแบบและวิจัยอาวุธคือสถาบันวิจัยแห่งชาติ ลอส อลามอส
เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกที่ผลิตพลูโทเนียม-239 ได้คือเครื่องปฏิกรณ์กราไฟท์ X-10 ซึ่งเริ่มเดินเครื่องในปี ค.ศ. 1943 สร้างขึ้นในโรงงานที่โอ๊ก ริดจ์ซึ่งภายหลังได้กลายมาเป็นสถาบันวิจัยแห่งชาติ โอ๊ก ริดจ์[note 5]
วันที่ 5 เมษายน ค.ศ. 1944 เอมีลีโอ เซแกระ (Emilio Segr?) ที่ลอส อลามอสได้รับตัวอย่างแรกของพลูโทเนียมที่ผลิตได้จากโอ๊ก ริดจ์ ภายในสิบวัน เขาพบว่าพลูโทเนียมที่ได้จากเครื่องปฏิกรณ์มีความเข้มข้นของไอโซโทป Pu-240 สูงกว่าพลูโทเนียมที่ผลิตด้วยเครื่องไซโคลตรอน Pu-240 มีอัตราการเกิดฟิชชันขึ้นเองสูงทำให้เกิดการยกระดับของระดับนิวตรอนพื้นหลังทั้งหมดของพลูโทเนียมตัวอย่าง อาวุธนิวเคลียร์แบบไกปืนรุ่นแรก ชื่อรหัส "ทินแมน (Thin Man)" ต้องถูกยกเลิกไปจากผลที่พบนี้เนื่องจากจำนวนนิวตรอนเกิดเองที่เพิ่มขึ้นอย่างมากนั้นอาจทำให้เกิดการระเบิดขึ้นได้
การออกแบบอาวุธที่ทำจากพลูโทเนียมที่ลอส อลามอสจึงถูกเปลี่ยนเป็นกลไกแบบจุดระเบิดภายในซึ่งซับซ้อนมากมีชื่อรหัสว่า "แฟตแมน" กลไกแบบจุดระเบิดภายในนั้น พลูโทเนียมทรงกลมแข็งจะถูกอัดให้มีความหนาแน่นสูงด้วยการระเบิดเข้าสู่ศูนย์กลาง เป็นเทคนิคที่ยากกว่าแบบไกปืนมาก แต่ก็สำคัญมากเช่นกันสำหรับอาวุธที่ต้องการใช้พลูโทเนียม (ยูเรเนียมเสริมสมรรถนะสามารถใช้วิธีนี้ได้เช่นกัน)
เครื่องปฏิกรณ์-บีที่แฮนฟอร์ด ซึ่งเป็นเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ขนาดใหญ่ใช้สำหรับผลิตวัสดุทางนิวเคลียร์ สร้างเสร็จสมบูรณ์ในเดือนมีนาคม ค.ศ. 1945 เครื่องปฏิกรณ์-บีได้ผลิตวัสดุฟิสไซล์สำหรับอาวุธที่ใช้พลูโทเนียมซึ่งใช้ในระหว่างสงครามโลกครั้งที่สอง[note 6] เครื่องปฏิกรณ์-บี, ดี และ เอฟ เป็นเครื่องปฏิกรณ์ชุดแรกที่สร้างขึ้นในแฮนฟอร์ด เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้ผลิตพลูโทเนียมอีกหกเครื่องนั้นสร้างขึ้นภายหลัง
ในปี ค.ศ. 2004 มีการค้นพบตู้นิรภัยระหว่างหลุมฝังศพที่แฮนฟอร์ดนิวเคลียร์ไซต์ ภายในมีสิ่งของหลากหลายรวมถึงขวดแก้วขนาดใหญ่ที่บรรจุด้วยของเหลวคล้ายโคลนสีค่อนข้างขาวซึ่งภายหลังสามารถระบุได้ว่าเป็นตัวอย่างพลูโทเนียมเกรดอาวุธที่เก่ามาก ด้วยการวิเคราะทางไอโซโทปโดยสถาบันวิจัยแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือแสดงว่าพลูโทเนียมในขวดนั้นผลิตจากเครื่องปฏิกรณ์ X-10 ที่โอ๊ก ริดจ์ระหว่างปี ค.ศ. 1944
การทดลองระเบิดปรมาณูครั้งแรกมีชื่อรหัสว่า "ทรินนิที" ถูกทดสอบในวันที่ 16 กรกฎาคม ค.ศ. 1945 ใกล้กับอะลาโมกอร์โด รัฐนิวเม็กซิโก ใช้พลูโทเนียมเป็นวัสดุฟิสไซล์ การออกแบบการระเบิดจากภายในของ "แกดเก็ต (Gadget)" ซึ่งเป็นกลุ่มกลไกที่มี 3 ชิ้นซึ่งเป็นที่มาของชื่อรหัสทรินนิทีนั้น ได้ใช้การรวมเลนส์ระเบิดเพื่อกดอัดพลูโทเนียมทรงกลมไปสู่มวลเหนือวิกฤต ซึ่งสาดด้วยนิวตรอนจำนวนมากมาพร้อมๆกันจากการสร้างตัวเริ่มต้นของพอโลเนียมและเบริลเลียม (ต้นกำเนิดนิวตรอน: (?, n) ปฏิกิริยาคายพลังงาน) เพื่อรับประกันว่าจะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่และการระเบิดร่วมกัน โดยรวมอาวุธหนักมากกว่า 4 ตัน ถึงแม้ว่าจะใช้พลูโทเนียมเพียง 6.2 กก.เท่านั้นในส่วนแกนกลาง ประมาณ 20% ของพลูโทเนียมที่ใช้ในอาวุธในทดสอบทรินนิทีจะเกิดการแตกตัวของนิวเคลียสของอะตอม ผลของแรงระเบิดมีพลังงานเท่ากับทีเอ็นทีประมาณ 20,000 ตัน[note 7]
การออกแบบลักษณะเดียวกันนี้ใช้ใน "แฟตแมน" ระเบิดปรมาณูที่ถูกทิ้งเหนือเมืองนะงะซะกิ ประเทศญี่ปุ่น ในวันที่ 9 สิงหาคม ค.ศ. 1945 ฆ่าประชากรไป 70,000 คนและบาดเจ็บอีก 100,000 คน ส่วนระเบิด "ลิตเติลบอย" ที่ทิ้งลงเหนือเมืองฮิโระชิมะ สามวันก่อนหน้านั้น ใช้ยูเรเนียม-235 ไม่ใช่พลูโทเนียม ญี่ปุ่นได้ยอมแพ้ในวันที่ 15 สิงหาคม ต่อนายพลดักลาส แมกอาเธอร์ส่งผลให้สงครามจบลง การมีอยู่ของพลูโทเนียมจึงเพิ่งได้เผยแพร่สู่สาธารณะหลังจากการประกาศของระเบิดปรมาณูลูกแรกนั่นเอง
ทั้งสหภาพโซเวียตและสหรัฐอเมริกาต่างสร้างคลังเก็บพลูโทเนียมเกรดสำหรับทำอาวุธขนาดใหญ่ในระหว่างยุคสงครามเย็น เตาแยกปฏิกรณ์ปรมาณูของสหรัฐอเมริกาที่แฮนฟอร์ดในรัฐวอชิงตันและแม่น้ำซาวานนาห์ในรัฐเซาท์แคโรไลนาสามารถผลิตพลูโทเนียมเกรดสำหรับทางทหารได้ 103 ตัน และอีกประมาณ 170 ตันนั้นถูกผลิตในรัสเซีย[note 8] ในแต่ละปียังคงมีธาตุเกิดขึ้นจากผลพลอยได้ของอุตสาหกรรมพลังงานนิวเคลียร์ประมาณ 20 ตัน พลูโทเนียมมากกว่า 1000 ตันอาจอยู่ในสถานที่เก็บรักษาซึ่งอาจมีมากกว่า 200 ตันที่อยู่ภายในหรือนำออกมาจากอาวุธนิวเคลียร์
ตั้งแต่สงครามเย็นจบลง คลังเหล่านี้กลายเป็นจุดศูนย์รวมของความกังวลในการเพิ่มจำนวนอย่างรวดเร็วของนิวเคลียร์ ในสหรัฐอเมริกาพลูโทเนียมบางส่วนถูกถอดออกจากอาวุธนิวเคลียร์ที่ปลดประจำการถูกหลอมเป็นแท่งแก้วพลูโทเนียมออกไซด์ที่มีน้ำหนักถึง 2 ตัน แก้วนั้นทำด้วยแก้วโบโรซิลิเคทผสมด้วยแคดเมียมและแกโดลิเนียม[note 9] แท่งแก้วเหล่านี้ถูกห่อหุ้มด้วยสเตนเลสและเก็บไว้ใต้ดินลึกกว่า 4 กม.ในหลุมที่ปิดทับด้วยคอนกรีต ในปี ค.ศ. 2008 สหรัฐอเมริกาได้วางแผนที่จะเก็บพลูโทเนียมด้วยวิธีนี้ซึ่งหนทางที่ง่ายที่สุดในที่เก็บกากนิวเคลียร์เทือกเขายุกคาซึ่งประมาณ 160 กม.ทางตะวันออกเฉียงเหนือของลาสเวกัส รัฐเนวาดา การต่อต้านจากท้องถิ่นและรัฐทำให้แผนที่จะเก็บกากนิวเคลียร์ไว้ที่เทือกเขายุกคาเลื่อนออกไป
ในระหว่างและหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 นักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานอยู่ในโครงการแมนฮัตตันและโครงการวิจัยอาวุธนิวเคลียร์กลุ่มอื่น ได้ศึกษาผลของพลูโทเนียมต่อสัตว์ทดลองและต่อมนุษย์ ในสัตว์พบว่าพลูโทเนียม 2-3 มิลลิกรัมต่อเนื้อเยื่อ 1 กิโลกรัมนั้นสามารถทำให้ถึงตายได้
ส่วนในกรณีที่ศึกษาในมนุษย์นั้น ได้มีการฉีดสารละลายพลูโทเนียม 5 ไมโครกรัมเข้าไปในร่างกายผู้ป่วยในโรงพยาบาล ที่เจ็บป่วยในระยะสุดท้ายจากสาเหตุอื่น หรือผู้ที่เจ็บป่วยเรื้อรังและคาดว่าจะมีชีวิตอยู่ได้อีกไม่เกิน 10 ปี และลดเหลือ 1 ไมโครกรัมในเดือนกรกฎาคม ค.ศ. 1945 หลังจากการทดลองในสัตว์พบว่ามีการสะสมของพลูโทเนียมในกระดูกซึ่งมีอันตรายมากกว่าเรเดียม
ผู้ป่วย 18 ราย ที่ไม่ได้รับแจ้งให้เจ้าตัวทราบ ถูกใช้เพื่อใช้ในการวินิจฉัยสร้างข้อกำหนดในการดูดซึมพลูโทเนียมเข้าสู่ร่างกายเพื่อมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับการทำงานกับพลูโทเนียม
ในกรณีนี้ถือว่าเป็นการทำลายจริยธรรมและคำปฏิญาณทางการแพทย์อย่างร้ายแรง มีข้อคิดเห็นมากมายที่แสดงความคิดเห็นว่าแม้การกระทำนั้นจะถือว่าเป็นการทำลายต่อความเชื่อถือและจริยธรรม "ผลของพลูโทเนียมที่ฉีดเข้าไปในร่างกายผู้ป่วยไม่ได้ทำให้เกิดความเสียหายหรือเจ็บป่วยอย่างที่ถูกเสริมแต่งกันในข่าวตอนแรก จึงไม่มีนักวิทยาศาสตร์ใส่ใจและเชื่อเรื่องนี้มากนักทั้งใน ณ ขณะนั้นและในปัจจุบันนี้"
Pu-239 เป็นวัสดุฟิสไซล์ที่สำคัญในอาวุธนิวเคลียร์ เพราะเกิดการแตกตัวของนิวเคลียสอะตอมได้ง่าย พลูโทเนียมทรงกลมในระเบิดที่ห่อหุ้มด้วยตัวกระตุ้นนั้นลดผลรวมความต้องการของพลูโทเนียมให้เข้าสู่มวลวิกฤตโดยสะท้อนนิวตรอนที่ถูกปลดปล่อยออกมากลับเข้าไปสู่แกนพลูโทเนียม การกระทำนี้ช่วยลดความต้องการเข้าสู่ค่าวิกฤต จากที่ต้องใช้พลูโทเนียม 16 กก. เหลือเพียง 10 กก.ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10 ซม. ค่ามวลวิกฤตนี้มีค่าประมาณหนึ่งในสามของ U-235
"แฟตแมน"-ระเบิดที่ใช้พลูโทเนียมที่สร้างขึ้นในระหว่างโครงการแมนฮัตตัน ใช้การระเบิดบีบอัดของพลูโทเนียมที่มีความหนาแน่นสูงร่วมกับต้นกำเนิดนิวตรอนตรงกลางเพื่อเริ่มปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงเหลือพลูโทเนียมเพียง 6.2 กก.ที่ต้องการสำหรับระเบิดที่มีแรงระเบิดเท่ากับทีเอ็นที 20 กิโลตัน มีสมมุติฐานที่ว่าสำหรับผู้เชี่ยวชาญ พลูโทเนียมเพียง 4 กก.ก็สามารถสร้างระเบิดนิวเคลียร์ได้หนึ่งลูก
PUREX เป็นกระบวนการที่นำกากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์มาสกัดยูเรเนียมและพลูโทเนียมเพื่อให้กลายเป็นเชื้อเพลิงที่มีสารประกอบออกไซด์รวมอยู่ด้วย (MOX) สำหรับนำกลับมาใช้ใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ พลูโทเนียมเกรดอาวุธสามารถนำไปเติมในเชื้อเพลิงผสมนั้นได้ เชื้อเพลิง MOX ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบาประกอบไปด้วยพลูโทเนียม 60 กก.ต่อเชื้อเพลิงหนึ่งตัน หลังจากผ่านไป 4 ปี สามในสี่ส่วนของพลูโทเนียมจะเปลี่ยนกลายเป็นธาตุอื่นไปเครื่องปฏิกรณ์ที่เพาะเชื้อเพลิงในตัวเองนั้นจะออกแบบเป็นพิเศษให้สามารถสร้างวัสดุฟิชชันได้มากกว่าที่ใช้ไป
เชื้อเพลิง MOX เริ่มมีการใช้ตั้งแต่ในช่วงปี ค.ศ. 1980 และใช้กันอย่างกว้างขวางทั่วยุโรป ในเดือนกันยายน ปี ค.ศ. 2000 สหรัฐอเมริกาและสหพันธรัฐรัสเซียทำข้อตกลงว่าด้วยการบริหารจัดการพลูโทเนียม ซึ่งมีใจความหนึ่งว่าจะทำลายพลูโทเนียมเกรดอาวุธจำนวนทั้งสิ้น 34 ตัน กระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกามีแผนที่จะกำจัดพลูโทเนียมเกรดอาวุธ 34 ตันในสหรัฐอเมริกาก่อนสิ้นปี ค.ศ. 2019 โดยเปลี่ยนไปเป็นเชื้อเพลิง MOX เพื่อใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าพลังงานนิวเคลียร์ในเชิงพานิชย์
การเพิ่มประสิทธิภาพของเชื้อเพลิงสามารถทำได้ในกระบวนการนำกลับมาใช้ใหม่ด้วยเช่นกัน ในกระบวนการจะมีการจำกัดของเสียออกจากแท่งเชื้อเพลิงหลังจากใช้งานมาสามปี ประมาณ 3% จากน้ำหนักทั้งหมดของแท่งเชื้อเพลิง ไอโซโทปต่าง ๆ ของยูเรเนียมและพลูโทเนียมที่สร้างขึ้นในระหว่างการใช้งานในสามปีนั้นจะถูกกำจัดออกและแท่งเชื้อเพลิงจะกลับนำเข้าสู่กระบวนการผลิตใหม่[note 10] อย่างไรก็ตาม แกลเลียมประมาณ 1% ต่อน้ำหนักพลูโทเนียมเกรดอาวุธมีศักยภาพในการแทรกแซงในระยะยาวของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบน้ำมวลเบา
เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการเสนอให้ใช้ 241Am เป็นตัวปรับโครงสร้างในแท่งเชื้อเพลิงพลูโทเนียมเพื่อทำให้ไม่สามารถนำแท่งเชื้อเพลิงนั้นไปผลิตเป็นอาวุธนิวเคลียร์ได้
ไอโซโทปพลูโทเนียม-238 (Pu-238) มีครึ่งชีวิต 87.5 ปี ซึ่งปลดปล่อยพลังงานความร้อนออกมาจำนวนมากในระดับต่ำ เป็นรังสีแกมมา/อนุภาคและรังสีนิวตรอนที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ/อนุภาครังสีอนุภาคแอลฟาเป็นการรวมกันของการแผ่รังสีพลังงานสูงซึ่งมีการผ่านทะลุต่ำ และด้วยเหตุนั้นจึงป้องกันได้ง่าย เพียงแค่กำแพงกระดาษก็สามารถป้องกันการทะลุทะลวงของอนุภาคแอลฟาได้ โดย Pu-238 หนึ่งกิโลกรัมสามารถสร้างพลังงานความร้อนประมาณ 570 วัตต์
ด้วยลักษณะพิเศษนี้ทำให้พลูโทเนียมเหมาะสมในการใช้สร้างอุปกรณ์กำเนิดพลังงานไฟฟ้าที่ไม่ต้องการการซ่อมบำรุงตลอดเวลาหนึ่งชั่วอายุคน ดังนั้นจึงมีการใช้พลูโทเนียมในเครื่องผลิตไฟฟ้าด้วยความร้อนจากไอโซโทปรังสีและหน่วยผลิตความร้อนด้วยไอโซโทปแผ่รังสี เช่นในยานแคสซีนี, โครงการวอยเอจเจอร์ และยานนิวฮอไรซันส์ เทคโนโลยีพลังงานแบบเดียวกันแรกสุดถูกใช้ในระบบ ALSEP และ EASEP รวมถึงการทดลองเรื่องแผ่นดินไหวในปฏิบัติการบนดวงจันทร์ของยานอะพอลโล 14
พลูโทเนียม-238 เป็นแหล่งพลังงานของหัวใจเทียมเพซเมกเคอร์ (pacemaker:อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ช่วยให้อัตราการเต้นของหัวใจสม่ำเสมอ) ที่ประสบความสำเร็จมาก เพราะช่วยลดความเสี่ยงผ่าตัดซ้ำๆเพื่อเปลี่ยนแหล่งพลังงาน ก่อนจะถูกแทนที่ด้วยเซลล์ปฐมภูมิที่ใช้ลิเทียมเป็นพื้นฐาน แต่ใน ค.ศ. 2003 ยังมีเพซเมกเคอร์ 50 ถึง 100 ชิ้นที่ใช้พลูโทเนียมเป็นแหล่งพลังงาน ถูกฝังอยู่ในร่างกายผู้ป่วยที่ยังมีชีวิตอยู่ ศึกษา Pu-238 เพื่อใช้ในการให้ความร้อนในการดำน้ำแบบสคูบา พลูโทเนียม-238 ผสมกับเบริลเลียมถูกใช้ในการสร้างนิวตรอนเพื่อใช้ในงานวิจัย
ไอโซโทปและสารประกอบพลูโทเนียมเป็นสารพิษที่มีความเป็นพิษสูงซึ่งมีสาเหตุมาจากภาวะกัมมันตภาพรังสี การปนเปื้อนของพลูโทเนียมออกไซด์ (พลูโทเนียมรวมตัวกับออกซิเจนด้วยตนเอง) เป็นผลมาจากอุบัติเหตุนิวเคลียร์ทางทหารเมื่ออาวุธนิวเคลียร์ถูกเผา แต่เมื่อเทียบคุณสมบัติความเป็นพิษทางเคมีเพียงอย่างเดียวแล้ว พลูโทเนียมเป็นอันตรายน้อยกว่าสารหนูหรือไซยาไนด์และมีพิษพอๆกับคาเฟอีน
พลูโทเนียมจะเป็นอันตรายมากถ้าเราหายใจเอาพลูโทเนียมเข้าไป อันตรายมากกว่าการรับประทานพลูโทเนียมเข้าไปเสียอีก ความเสี่ยงที่จะเป็นมะเร็งปอดจะเพิ่มขึ้นเมื่อรับรังสีในหนึ่งครั้งมีค่าปริมาณรังสีสมมูลของการหายใจเอารังสีเข้าไปเกินกว่า 400 mSv กระทรวงพลังงานแห่งสหรัฐอเมริกาประมาณว่าความเสี่ยงเป็นมะเร็งในช่วงชีวิตเมื่อสูดเอาพลูโทเนียมเข้าไป 5,000 อนุภาคซึ่งแต่ละอนุภาคมีขนาด 3 ไมครอน จะมีความเสี่ยงเพิ่มขึ้น 1% จากค่าเฉลี่ยในสหรัฐอเมริกา ร่างกายคนเราจะไม่ดูดซึมพลูโทเนียมจากการรับประทานเข้าไป (ร่างกายจะดูดซึมพลูโทเนียมออกไซด์เพียง 0.04% เท่านั้นจากการรับประทาน) เมื่อพลูโทเนียมถูกดูดซึมเข้าสู่ร่างกาย จะถูกขับออกจากร่างกายอย่างช้าๆ ซึ่งมีครึ่งชีวิตทางชีวภาพ 200 ปี พลูโทเนียมนั้นมีรสชาติเหมือนโลหะ
รังสีแอลฟาที่พลูโทเนียมปล่อยออกมาไม่สามารถทะลุผิวหนังเข้าไปได้ แต่สามารถฉายเข้าไปในอวัยวะภายในได้เมื่อรับประทานหรือสูดดมพลูโทเนียมเข้าไป โดยเฉพาะกระดูกซึ่งดูดซับพลูโทเนียมอยู่บริเวณผิวหน้าของกระดูกและตับซึ่งจะสะสมพลูโทเนียมเข้มข้นขึ้นเรื่อยๆ
เมื่อพิจารณาภาพรวมแล้วพลูโทเนียมอาจเป็นเหตุของการรับพิษรังสีอย่างรุนแรงจนถึงตายได้ถ้าสูดดมหรือรับประทานเข้าไป อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีใครตายจากการสูดดมหรือรับประทานพลูโทเนียมและพบว่ามีหลายคนที่ตรวจพบพลูโทเนียมในร่างกาย
สิ่งที่ต้องระวังอีกอย่างหนึ่งคือ ต้องระวังไม่ให้พลูโทเนียมสะสมจนถึงค่าของมวลวิกฤต เนื่องจากมวลวิกฤตของพลูโทเนียมมีค่าหนึ่งในสามของยูเรเนียม-235 เท่านั้น พลูโทเนียมที่เกิดวิกฤตจะปลดปล่อยนิวตรอนและรังสีแกมมาออกมาทำให้ถึงตายได้ พลูโทเนียมในสารละลายสามารถมีมวลถึงระดับของมวลวิกฤตได้ง่ายกว่าของแข็งเพราะจากสารหน่วงนิวตรอนโดยไฮโดรเจนในน้ำ
ในอดีตพลูโทเนียมเคยมีมวลถึงระดับวิกฤตโดยอุบัติเหตุมาแล้ว โดยบางครั้งทำให้เกิดอันตรายจนถึงแก่ชีวิต การจัดการกับแท่งสารประกอบคาร์บอน-ทังสเตนที่ล้อมรอบพลูโทเนียมทรงกลมหนักประมาณ 6.2 กก.ซึ่งเป็นระดับทำให้เป็นอันตรายถึงชีวิต อย่างขาดความระมัดระวังที่ลอส อลามอส ในวันที่ 21 สิงหาคม ค.ศ. 1945 เป็นผลให้ แฮรี่ เค เดกเลี่ยน จูเนียร์ (Harry K. Daghlian, Jr) นักวิทยาศาสตร์ โดยได้รับรังสีประมาณ 5.1 ซีเวอร์ต (510 rems) และตายใน 28 วันให้หลัง เก้าเดือนถัดมา ลูอิส สโลทิน (Louis Slotin) นักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งของลอส อลามอส ก็เสียชีวิตในอุบัติเหตุลักษณะเดียวกัน โดยเกิดจากตัวสะท้อนเบริลเลียมและแกนพลูโทเนียม (หรือที่เรียกว่า "แก่นปีศาจ") ชุดเดียวกันกับที่ทำให้เดกเลี่ยนเสียชีวิต เหตุการณ์นี้ถูกจำลองอยู่ในภาพยนตร์ ปี ค.ศ. 1989 เรื่อง แฟตแมนแอนด์ลิตเติลบอย
ในเดือนธันวาคม ปี ค.ศ. 1958 ระหว่างกระบวนการทำให้พลูโทเนียมบริสุทธิ์ที่ลอส อลามอสนั้น มวลในถังผสมได้เพิ่มขึ้นจนถึงระดับวิกฤต ทำให้ผู้ควบคุมเครนเสียชีวิต อุบัติเหตุในลักษณะเดียวกันนี้ได้เกิดขึ้นอีกในสหภาพโซเวียต ญี่ปุ่น และอีกหลายประเทศ
โลหะพลูโทเนียมเป็นวัตถุติดไฟอันตราย โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเป็นผงละเอียด ในสิ่งแวดล้อมที่มีความชื้น พลูโทเนียมจะสร้างสารประกอบไฮโดรเจนบนผิวหน้าซึ่งอาจเกิดการลุกไหม้เองได้ในอากาศที่อุณหภูมิห้อง พลูโทเนียมเมื่อรวมตัวกับออกซิเจน ปริมาตรจะขยายมากกว่า 70% ของปริมาตรเดิม อาจทำให้หีบห่อที่บรรจุพลูโทเนียมนั้นแตกหักได้ กัมมันตภาพรังสีจากการไหม้ของวัสดุพลูโทเนียมจะยิ่งเพิ่มความอันตราย ทรายแม็กนีเซียมออกไซด์เป็นวัสดุที่ดีที่สุดในการใช้ดับไฟที่เกิดจากพลูโทเนียม โดยจะทำหน้าที่กันความร้อนและออกซิเจน วัสดุที่ช่วยระบายความร้อน เช่น ฮีตซิงก์ สามารถช่วยปิดกั้นออกซิเจนได้อีกด้วย ควรระมัดระวังเป็นพิเศษในการเก็บหรือใช้พลูโทเนียมในทุกรูปแบบ โดยทั่วไปแล้วจะเก็บในที่แห้งโดยมีบรรยากาศเป็นก๊าซเฉื่อย[note 11]
