พลูโทเนียม ( ) เป็นธาตุสังเคราะห์ยกเว้นปริมาณเล็กน้อยที่เกิดจากการจับนิวตรอนโดยยูเรเนียมดังนั้นจึงไม่สามารถกำหนดน้ำหนักอะตอมมาตรฐาน ได้ ^{[หมายเหตุ 1 ]} เช่นเดียวกับธาตุ สังเคราะห์ทั้งหมด พลูโทเนียมไม่มีไอโซโทปที่เสถียร มันถูกสังเคราะห์ขึ้นก่อนที่จะพบในธรรมชาติ โดย ไอโซโทปแรกที่สังเคราะห์ได้คือ^238Puในปี 1940 มีการระบุไอโซโทปกัมมันตรังสีของพลูโทเนียมแล้ว 22 ไอโซโทป ไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ^244Puมีครึ่งชีวิต 81.3 ล้านปี242Pu ^มีครึ่งชีวิต 375,000 ปี^239Puมีครึ่งชีวิต 24,110 ปี และ^240Puมีครึ่งชีวิต 6,561 ปี ธาตุนี้ยังมีสถานะเมตา อีก 8 สถานะ ซึ่งทั้งหมดมีครึ่งชีวิตน้อยกว่าหนึ่งวินาที

ไอโซโทปของพลูโทเนียมที่รู้จักกันมีตั้งแต่^226Puถึง^247Pu โหมดการสลายตัวหลักก่อนไอโซโทปที่เสถียรที่สุดคือ^244Puคือการแตกตัวแบบสปอนเทเนียสและการสลายตัวแบบอัลฟาส่วนโหมดหลักหลังจากนั้นคือการปล่อยรังสีเบตาผลิตภัณฑ์การสลายตัวหลักก่อน^244Puคือไอโซโทปของยูเรเนียมและเนปทูเนียม (โดยไม่พิจารณาผลิตภัณฑ์จากการแตกตัว ) และผลิตภัณฑ์การสลายตัวหลักหลังจากนั้นคือไอโซโทปของอะเมริเซียม

• พลูโทเนียม-238มีครึ่งชีวิต 87.74 ปี^{[ 17 ]}และปล่อยอนุภาคอัลฟา พลูโทเนียม ^-238บริสุทธิ์สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกไอโซโทปรังสีที่ให้พลังงานแก่ยานอวกาศ บางลำนั้น ผลิตโดยการจับนิวตรอนบนเนปทูเนียม-237แต่พลูโทเนียมจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้แล้ว อาจมีพลูโทเนียม ^-238มากถึงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ซึ่งมาจากเนปทูเนียม^-237 การสลายตัวแบบอัลฟาของ²⁴² Cm หรือปฏิกิริยา (n,2n)
• พลูโทเนียม-239มีครึ่งชีวิต 24,100 ปี^239Puและ^241Puเป็นสารที่สามารถแตกตัวได้หมายความว่านิวเคลียสของพวกมันสามารถแตกตัวได้โดยการถูกชนด้วยนิวตรอนความร้อนความเร็วต่ำ ปล่อยพลังงาน รังสีแกมมาและนิวตรอนออกมาเพิ่มเติมดังนั้นจึงสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์ได้ซึ่งนำไปสู่การประยุกต์ใช้ในอาวุธนิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์^239Puถูกสังเคราะห์โดยการฉายรังสียูเรเนียม-238ด้วยนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ จากนั้นจึงนำกลับมาใช้ใหม่โดยกระบวนการแปรรูปเชื้อเพลิง นิวเคลียร์ การจับนิวตรอน เพิ่มเติม จะทำให้เกิดไอโซโทปที่หนักขึ้นเรื่อยๆ
• พลูโทเนียม-240มีอัตราการแตกตัวแบบเกิดขึ้นเองสูง ทำให้ระดับรังสีนิวตรอน พื้นฐาน ของพลูโทเนียมสูงขึ้น พลูโทเนียมแบ่งเกรดตามสัดส่วนของ^240Puได้แก่เกรดสำหรับอาวุธ (<7%), เกรดสำหรับเชื้อเพลิง (7–19%) และเกรดสำหรับเครื่องปฏิกรณ์ (>19%) เกรดที่ต่ำกว่าไม่เหมาะสำหรับระเบิดและเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนแต่สามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์เร็วได้
• พลูโทเนียม-241สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิสไซล์ได้ แต่จะสลายตัวแบบเบตาโดยมีครึ่งชีวิต 14 ปี กลายเป็นอะเมริเซียม-241
• พลูโทเนียม-242ไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้ และไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้ง่ายนัก (ต้องจับนิวตรอนอีก 3 ตัวจึงจะเกิดปฏิกิริยาฟิสชันได้) อีกทั้งยังมีภาคตัดขวาง การจับนิวตรอนต่ำ และมีครึ่งชีวิตยาวนานกว่าไอโซโทปที่เบากว่าทุกชนิด
• พลูโทเนียม-244เป็นไอโซโทปที่เสถียรที่สุดของพลูโทเนียม โดยมีครึ่งชีวิตประมาณ 80  ล้านปี มันไม่ได้ถูกผลิตขึ้นอย่างมีนัยสำคัญในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เนื่องจาก²⁴³ Pu มีครึ่งชีวิตสั้น แต่ก็มีการผลิตขึ้นบ้างในการระเบิดนิวเคลียร์²⁴⁴ Pu ถูกพบในอวกาศระหว่างดาว^{[ 18 ]}และมีครึ่งชีวิตยาวเป็นอันดับสองของไอโซโทปกัมมันตรังสีที่ไม่ใช่ดั้งเดิม

^239Puซึ่งเป็นไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้ และเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ที่ใช้มากเป็นอันดับสอง ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์รองจากยูเรเนียม-235และเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้มากที่สุดใน ส่วน การแตกตัวของอาวุธนิวเคลียร์ผลิตขึ้นจากยูเรเนียม-238โดยการจับนิวตรอนตามด้วยการสลายตัวแบบเบตา 2 ครั้ง

^240Pu , ^241Puและ^242Puเกิดขึ้นจากการจับนิวตรอนเพิ่มเติม ไอโซโทปมวลคี่^239Puและ^241Puมีโอกาสประมาณ 3/4 ที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิชชันเมื่อจับนิวตรอนความร้อนและมีโอกาสประมาณ 1/4 ที่จะกักเก็บนิวตรอน ไว้ และกลายเป็นไอโซโทปที่หนักกว่าถัดไป ไอโซโทปมวลคู่ สามารถเกิด ปฏิกิริยา ฟิชชันได้ แต่ไม่สามารถเกิดฟิชชันได้ และยังมีโอกาส ( ภาคตัดขวาง ) การจับนิวตรอนที่ต่ำกว่า ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะสะสมในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน ซึ่งเป็นรูปแบบของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ เกือบทั้งหมด ในปัจจุบัน ในพลูโทเนียมที่ถูกนำมาใช้ซ้ำในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนในเชื้อเพลิง MOXนั้น^{240Pu อาจเป็นไอโซโทปที่พบได้มากที่สุด อย่างไรก็ตาม ไอโซโทปของพลูโทเนียมและ} แอคติไนด์อื่นๆ ทั้งหมดสามารถเกิดฟิชชันได้ด้วยนิวตรอนเร็ว ไอโซโทป ^240Puมีค่าภาคตัดขวางการดูดซับนิวตรอนความร้อนในระดับปานกลาง ดังนั้น การผลิต ^241Puในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนจึงกลายเป็นสัดส่วนที่สำคัญเทียบเท่ากับการผลิต^239Pu

^241Puมีครึ่งชีวิต 14 ปี และมีค่าภาคตัดขวางของนิวตรอนความร้อนสูงกว่า^239Pu เล็กน้อย ทั้งสำหรับการแตกตัวและการดูดซับ ในขณะที่เชื้อเพลิงนิวเคลียร์กำลังถูกใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียสของ ^241Puมีแนวโน้มที่จะแตกตัวหรือจับนิวตรอนมากกว่าที่จะสลายตัว^241Puคิดเป็นสัดส่วนที่สำคัญของการแตกตัวในเชื้อเพลิงเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนที่ใช้มาสักระยะหนึ่งแล้ว อย่างไรก็ตาม ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้วที่ไม่ได้รับการแปรรูปทางนิวเคลียร์อย่างรวดเร็ว แต่ถูกทำให้เย็นลงเป็นเวลาหลายปีหลังการใช้งาน^241Pu ส่วนใหญ่หรือทั้งหมด จะสลายตัวแบบเบตาเป็นอะเมริเซียม-241ซึ่งเป็นหนึ่งในแอคติไนด์รองเป็นตัวปล่อยอัลฟาที่รุนแรง และยากต่อการนำไปใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน

^242Puมีภาคตัดขวางการจับนิวตรอนความร้อนต่ำเป็นพิเศษ และต้องใช้การดูดซับนิวตรอนถึงสามครั้งจึงจะกลายเป็นไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้อีกชนิดหนึ่ง (ไม่ว่าจะเป็นคูเรียม -245 หรือ^241Pu ) และเกิดการแตกตัว ถึงกระนั้น ก็ยังมีโอกาสที่ไอโซโทปที่สามารถแตกตัวได้ทั้งสองชนิดนี้จะไม่เกิดการแตกตัว แต่กลับดูดซับนิวตรอนตัวที่สี่ กลายเป็นคูเรียม-246 (ซึ่งกำลังพัฒนาไปเป็นแอคติไนด์ที่หนักกว่า เช่นแคลิฟอร์เนียมซึ่งเป็นตัวปล่อยนิวตรอนจากการแตกตัวโดยธรรมชาติและจัดการได้ยาก) หรือกลายเป็น^242Puอีกครั้ง ดังนั้นจำนวนนิวตรอนเฉลี่ยที่ถูกดูดซับก่อนการแตกตัวจึงสูงกว่า 3 ด้วยเหตุนี้^242Puจึงไม่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการนำกลับมาใช้ใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน และควรนำไปใช้ในเครื่องปฏิกรณ์เร็วซึ่งสามารถแตกตัวได้โดยตรงมากกว่า อย่างไรก็ตาม พื้นที่หน้าตัดต่ำของ ²⁴² Pu หมายความว่าจะมีการเปลี่ยนสภาพเพียงเล็กน้อยในระหว่างรอบหนึ่งในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน ครึ่งชีวิตของ ²⁴² Pu ยาวกว่า ครึ่งชีวิตของ ²³⁹ Pu ประมาณ 15 เท่า ดังนั้นจึงมีกัมมันตภาพรังสีเพียง 1/15 และไม่ใช่หนึ่งในผู้มีส่วนร่วมหลักในกัมมันตภาพรังสี ของกากกัมมันตภาพรังสี การปล่อย รังสีแกมมา ของ ²⁴² Pu ยังอ่อนกว่าไอโซโทปอื่นๆ อีกด้วย^{[ 20 ]}

^243Puมีครึ่งชีวิตเพียง 5 ชั่วโมง โดยสลายตัวแบบเบตาเป็นอะเมริเซียม-243เนื่องจาก^243Puมีโอกาสน้อยที่จะจับนิวตรอนเพิ่มเติมก่อนสลายตัววงจรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์จึงไม่สามารถผลิต^244Pu ที่มีอายุยืนยาวได้ ในปริมาณมาก

^{โดยปกติแล้ว พลูโทเนียม -238 (238} Pu) จะไม่ถูกผลิตในปริมาณมากโดยวัฏจักรเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ แต่บางส่วนถูกผลิตขึ้นจากเนปทูเนียม-237โดยการจับนิวตรอน (ปฏิกิริยานี้ยังสามารถใช้กับเนปทูเนียมบริสุทธิ์เพื่อผลิต²³⁸ Pu ที่ปราศจากไอโซโทปพลูโทเนียมอื่นๆ สำหรับใช้ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกไอโซโทปรังสี) โดยปฏิกิริยา (n,2n) ของนิวตรอนเร็วกับ²³⁹ Pu หรือโดยการสลายตัวแบบอัลฟาของคูเรียม -242 ซึ่งผลิตขึ้นโดยการจับนิวตรอนของ²⁴¹ Am คูเรียม-242 มีภาคตัดขวางนิวตรอนความร้อนสำหรับการแตกตัวที่สำคัญ แต่มีแนวโน้มที่จะจับนิวตรอนและกลายเป็น²³⁹ Pu มากกว่า

^240Puเกิดการแตกตัวโดยธรรมชาติในอัตราที่น้อยแต่มีนัยสำคัญ (5.8 × 10 ⁻⁶ %) ^{[ 1 ]}การมีอยู่ของ²⁴⁰ Pu จำกัดการใช้พลูโทเนียมในระเบิดนิวเคลียร์เนื่องจากนิวตรอนจากการแตกตัวแบบสปอนเทเนียสจะเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่ก่อนกำหนด ทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานก่อนกำหนดซึ่งกระจายแกนกลางก่อนที่ จะเกิด การยุบตัวอย่าง สมบูรณ์ สิ่งนี้ป้องกันไม่ให้แกนกลางส่วนใหญ่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาลูกโซ่และลดผลผลิตของระเบิด

^{พลูโทเนียมที่ประกอบด้วย 239Pu}มากกว่าประมาณ 90% เรียกว่าพลูโทเนียมเกรดอาวุธพลูโทเนียมจากเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ใช้แล้ว จากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชิงพาณิชย์โดยทั่วไปจะมี ^240Puอย่างน้อย 20% และเรียกว่าพลูโทเนียมเกรดเครื่องปฏิกรณ์อย่างไรก็ตาม อาวุธนิวเคลียร์สมัยใหม่ใช้การเร่งปฏิกิริยาฟิวชันซึ่งช่วยลดปัญหาการระเบิดก่อนกำหนด หากแกนกลางสามารถสร้างผลผลิตอาวุธนิวเคลียร์ได้แม้เพียงเศษเสี้ยวของกิโลตันซึ่งเพียงพอที่จะเริ่มต้นปฏิกิริยาฟิวชันของดิวเทอเรียม-ทริเทียมการระเบิดของนิวตรอนที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดการแตกตัวของพลูโทเนียมมากพอที่จะรับประกันผลผลิตหลายสิบกิโลตัน

การปนเปื้อนของ²⁴⁰ Pu เป็นสาเหตุที่ทำให้อาวุธพลูโทเนียมต้องใช้วิธีการระเบิดแบบอัดแน่น (implosion ) ในทางทฤษฎีแล้วสามารถใช้^{239 Pu บริสุทธิ์ใน} ระเบิดแบบปืนได้แต่การบรรลุระดับความบริสุทธิ์ดังกล่าวเป็นเรื่องยากอย่างยิ่ง การปนเปื้อนของ ²⁴⁰ Pu พิสูจน์แล้วว่าเป็นทั้งข้อดีและข้อเสีย ในขณะที่มันสร้างความล่าช้าและปัญหาให้กับโครงการแมนฮัตตันเนื่องจากความจำเป็นในการพัฒนาเทคโนโลยีการระเบิดแบบอัดแน่น ความยากลำบากเหล่านั้นก็เป็นอุปสรรคต่อการแพร่กระจายอาวุธนิวเคลียร์เช่นกัน ระเบิดแบบอัดแน่นยังมีประสิทธิภาพมากกว่าและมีโอกาสระเบิดโดยไม่ตั้งใจน้อยกว่าระเบิดแบบปืนอีกด้วย