Plutonium ist das wichtigste künstliche transuranische Metall und nimmt in der Kernindustrie eine unersetzliche Stellung ein. In Reaktoren fängt Uran-238 Neutronen ein und wird in Plutonium-239 umgewandelt; dieses spaltbare Isotop ist sowohl das Kernmaterial von Atomwaffen als auch der Brennstoff von Brutreaktoren mit schnellen Neutronen, die – während sie Plutonium verbrennen – weiteres Uran-238 in neues Plutonium umwandeln und so Brennstoff brüten. Da Plutoniummetall dicht ist und pro Masseneinheit eine große Wärmemenge freisetzt, wird Plutonium-238 zudem zu radioisotopen-Thermoelektrischen Generatoren (RTGs) verarbeitet, die Raumsonden wie Voyager, Cassini und dem Marsrover Curiosity sowie einigen unbemannten Polarstationen langlebige, zuverlässige Energie liefern; es ist eine der wenigen langlebigen Energiequellen, wo Sonnenenergie nicht praktikabel ist. Plutonium darf nur in streng kontrollierten Nuklearanlagen gehandhabt werden; seine Toxizität und die Anforderungen an die Kritikalitätssicherheit sind extrem hoch, und die weltweiten Bestände sind in den nuklearindustriellen Systemen einer kleinen Zahl von Ländern konzentriert.
Plutoniumverbindungen wie Plutoniumdioxid (PuO2) und Plutoniumtrifluorid (PuF3) werden nur unter kontrollierten Bedingungen in Anlagen zur Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen und in waffenbezogenen Materialanlagen hergestellt, wo sie zur Fertigung von MOX-Brennstoff und Waffenkernen dienen. Kein gewöhnliches Labor hat Zugang zu wägbaren Mengen an Plutoniumverbindungen.
