Нерасщепляющийся уран-238 может быть превращен в расщепляющийся плутоний-239 с помощью следующих ядерных реакций:
В этом уравнении уран-238 в результате поглощения нейтрона (n) и испускания кванта энергии, известного как гамма-лучи (γ), превращается в изотоп уран-239 (более высокое массовое число отражает наличие еще одного нейтрона в ядре). За определенный период времени (23,5 минуты) этот радиоактивный изотоп теряет отрицательно заряженный электрон, или бета-частицу (β-); эта потеря отрицательного заряда повышает положительный заряд атома на один протон, так что он фактически превращается в элемент нептуний (Np; с атомным номером 93, на один больше, чем у урана). Нептуний-239, в свою очередь, подвергается бета-распаду, превращаясь в плутоний-239 (атомный номер 94).
Уран и плутоний извлекаются из облученного ядерного топлива с помощью широко распространенного процесса извлечения плутония-урана, или Purex. В этом процессе экстракции растворителем оболочка топлива, окружающая ядерные топливные элементы (обычно изготовленные из алюминиевых, магниевых или циркониевых сплавов), удаляется химическим или механическим способом, а металлическое или оксидное топливо растворяется в азотной кислоте. Затем плутоний и уран совместно экстрагируются в раствор трибутилфосфата, в то время как практически все продукты деления и нерадиоактивные компоненты остаются в водном рафинате. Загруженный органический экстракт контактирует с водной фазой, содержащей любой из нескольких возможных восстановителей, для отделения плутония от урана, и уран отделяется от раствора трибутилфосфата в разбавленный раствор азотной кислоты. При необходимости с потоками урана и плутония проводятся дополнительные циклы экстракции и отгонки, чтобы завершить очистку друг от друга и от следов циркония и рутения, являющихся продуктами совместного деления.
Очищенный нитрат урана прокаливается до оксида (UO3 или U3O8) для последующего преобразования в UF6 и обогащения урана-235, как описано выше. Очищенный нитрат плутония превращается в диоксид плутония (PuO2) либо для преобразования в металлический плутоний (оружейный плутоний), либо для переработки в топливо для ядерных реакторов. Как и уран, металлический плутоний обычно получают путем высокотемпературного восстановления галоидной соли (тетрафторида или трифторида плутония) металлическим кальцием. Также широко используется так называемый прямой окислительно-восстановительный процесс, при котором PuO2 восстанавливается металлическим кальцием до металлического плутония и шлака оксида кальция:
