Nhiên liệu ôxit hỗn hợp

Nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng từ các lò phản ứng nước nhẹ chứa Plutoni ở dạng hỗn hợp gồm plutoni-242, 240, 239 và 238. Hỗn hợp này không được làm giàu một cách đầy đủ để dùng cho các vũ khí hạt nhân, nhưng nó có thể được sử dụng làm nhiên liệu MOX. Bắt giữ neutron ngẫu nhiên làm cho một lượng plutoni-242 và 240 tăng theo thời gian Plutoni bị chiếu xạ trong lò phản ứng bởi các neutron "nhiệt" tốc độ chậm, vì thế sau chu kỳ thứ 2, Plutoni chỉ có thể được tiêu thụ bởi các lò phản ứng neutron nhanh. Nếu các lò phản ứng neutron nhanh không có, lượng Plutoni dư thường sẽ bị loại bỏ, và trở thành một loại chất thải hạt nhân có thành tố tồn tại lâu trong môi trường. Việc mong muốn tiêu thụ loại plutoni này và các nhiêu liệu siêu urani khác và làm giảm lượng phóng xạ trong chất thải là một trong những lý do khiến người ta phát triển các lò phản ứng neutron nhanh.

Công nghệ hóa học phổ biến nhất dùng để tái xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng để tách plutoni và urani có thể được sử dụng để tạo ra một ôxit hỗn hợp là "nhiên liệu MOX" cho một số lò phản ứng hạt nhân. Plutonii cấp vũ khí có thể cần được cho thêm vào hỗn hợp nhiêu liệu này. Nhiên liệu MOX được dùng trong các lò phản ứng nước nhẹ và chiếm khoảng 60 kg plutoni trên 1 tấn nhiên liệu; sau 4 năm, 3/4 lượng plutoni bị tiêu thụ (chuyển thành các nguyên tố khác).[33] Các lò phản ứng tái sinh được thiết kế đặc biệt để tạo ra vật liệu phân hạch nhiều hơn lượng chúng tiêu thụ.

Nhiên liệu MOX đã được sử dụng từ thập niên 1980 và hiện nay được sử dụng rộng khắp ở châu Âu.[72] Tháng 9 năm 2000, Hoa Kỳ và Nga ký kết một thỏa thuận về loại bỏ và quản lý plutoni, theo đó, mỗi bên đồng ý loại bỏ 34 tấn plutoni cấp vũ khí.[73] Bộ Năng lượng Hoa Kỳ lên kế hoạch loại bỏ 34 tấn plutoni cấp vũ khí ở Hoa Kỳ vào cuối năm 2019 bằng cách chuyển plutoni thành nhiên liệu MOX dùng cho các lò phản ứng hạt nhân thương mại.[73]

Nhiên liệu MOX nâng cao tổng lượng đốt cháy. Một thanh nhiên liệu sau 3 năm sử dụng được tái xử lý để loại bỏ các sản phẩm thải, chúng chiếm khoảng 3% tổng khối lượng các thanh nhiên liệu.[33] Bất kỳ đồng vị urani hay plutoni được tạo ra trong thời gian 3 năm này đều được loại bỏ và thanh nhiên liệu được đưa trở lại lò phản ứng.[note 10] Khi galli chiếm 1% về khối lượng trong các hợp kim plutoni cấp vũ khí thì nó có khả năng gây cản trở việc vận hành lâu dài các lò phản ứng nước nhẹ.[74]

Plutoni được thu hồi từ các nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân đã qua sử dụng đặt ra một mối nguy hiểm phổ biến vũ khí hạt nhân ở mức ít hơn, vì sự ô nhiễm nhiều hơn với các đồng vị không phân hạch như plutoni-240 và plutoni-242. Việc tách các đồng vị này là không khả thi. Một lò phản ứng chuyên dụng vận hành dựa trên việc đốt nhiên liệu ở mức rất thấp nhìn chung cần phải tạo ra vật liệu thích hợp cho việc sử dụng chúng có hiệu quả trong các vũ khí hạt nhân. Trong khi plutoni cấp vũ khí được định nghĩa là có chứa ít nhất 92% plutoni-239, thì Hoa Kỳ đã quản lý để làm thiết bị nổ dưới 20Kt (kilo tấn) dùng plutoni được tin là chỉ chứa khoảng 85% plutoni-239, còn được gọi là plutoni 'cấp nhiên liệu'.[75] Plutoni 'cấp lò phản ứng' được tạo ra từ chu trình đốt trong lò phản ứng nước nhẹ thông thường chứa lượng Pu-239 ít hơn 60%, với parasitic Pu-240/Pu-242 lên tới 30%, và 10-15% Pu-241 có khả năng phân hạch.[75] Người ra không rõ liệu một thiết bị sử dụng plutoni được tạo ra từ các chất thải hạt nhân dân dụng được tái xử lý có thể nổ được không, tuy nhiên, các thiết bị này có thể tạo ra các tiếng xèo xèo theo giả thuyết và phát tán các vật liệu phóng xạ trên phạm vi rộng. IAEA phân loại một cách thận trọng plutoni của tất cả vectors đồng vị như vật liệu "sử dụng trực tiếp", đó là, "vật liệu hạt nhân có thể được sử dụng cho việc chế tạo các chất nổ hạt nhân không bao gồm các thành phần biến tố hay làm giàu sau đó".[75]

241Am gần đây đã được đề nghị dùng làm chất biến tính trong các thanh nhiên liệu hạt nhân dùng plutoni nhằm hạn chế khả năng phát tán hạt nhân của nó.[76]