Uran-235 wird am effektivsten von langsamen Neutronen gespalten. Neutronen mittlerer sowie höherer Geschwindigkeit können aber auch von Uran-238 aufgenommen werden. Dabei tritt keine Kernspaltung, sondern eine Umwandlung in das Uranisotop U-239 ein. Es wandelt sich in zwei Schritten unter Aussenden von Betateilchen zu Pu-239 um. Pu-239 ist ein Alphastrahler und hat eine Halbwertszeit von 24.110 Jahren. Es wird durch langsame, günstiger aber durch schnelle Neutronen gespalten und ist deshalb auch für Kernspaltung geeignet.
Durch Aufnahme weiterer Neutronen können sich aus Pu-239 auch andere Plutoniumisotope bilden: Pu-240, Pu-241, Pu-242 und Pu-243.
Je länger die Uranbrennelemente im Reaktor verbleiben, desto mehr
Plutonium bildet sich. Bei dem üblichen Einsatz der Brennelemente sind das etwa 10 g Plutonium pro 1 kg Uran. Plutonium ist das einzige künstliche Element, das in größeren Mengen erzeugt wird. In einem Leichtwasserreaktor mit einer elektrischen Leistung von 1 300 MW entstehen jährlich insgesamt etwa 313 kg Plutonium.
Das nicht im Reaktor selbst gespaltene Plutonium wird bei der Wiederaufarbeitung der Brennelemente isoliert und in Brennelementen erneut eingesetzt. In den so genannten Mischoxid-Brennelementen wird neben UO2 bis zu 5 % PuO2 verwendet.
Plutonium kommt in extrem kleinen Mengen auch in der Natur vor. In Uranerzlagern findet man Spuren von Pu-239, das durch die Neutronen der Höhenstrahlung ständig neu gebildet wird. Es kann auch durch Neutronen erzeugt werden, die bei der Spontanspaltung von U-238 oder U-235 entstehen. Spuren von Pu-244 (HWZ 8,26 · 107 a) stammen wahrscheinlich aus der Entstehungszeit der Erde. In 1 g natürlichem Uran sind 10-11 bis 10-12 g Plutonium enthalten. Das bedeutet, dass für die Gewinnung von 1 mg natürlichem Plutonium 1 000 t natürliches Uran chemisch aufgearbeitet werden müssten.