二氧化钚 或 (plutonia) 是化學式為 PuO2 的化合物。 這種高熔點固體是钚的主要化合物。 它的顏色可以從黃色到橄欖綠色不等，具體取決于顆粒大小、溫度和生產方法。

PuO2 在螢石圖案中結晶，Pu4+ 中心組織成面心立方陣列，氧化物離子占據四面體孔。 PuO2 之所以能用作核燃料，是因為八面體孔中的空位為裂變產物提供了空間。 在核裂變中，一個钚原子分裂成兩個。 八面體孔的空位為新產品提供了空間，并允許 PuO2 整體保持其結構完整性。

二氧化钚是一種穩定的陶瓷材料，在水中的溶解度極低，熔點高 (2,744 °C)。 根據避免被任何容器材料污染的快速激光熔化研究的證據，熔點在 2011 年向上修正了數百度。

由于钚的放射性 α 衰變，PuO2 摸起來很暖和。 與所有钚化合物一樣，它受《核不擴散條約》的管制。

钚在氧氣氣氛中自發氧化成二氧化鈾。 二氧化钚主要通過在 300 °C 下煅燒草酸钚 (IV) Pu(C2O4)2·6H2O 制備。 钚草酸是在核燃料后處理過程中獲得的，因為钚溶解在硝酸和氫氟酸溶液中。 二氧化钚也可以從熔鹽增殖反應堆中回收，方法是在任何剩余的鈾以六氟化物的形式從鹽中去除后，向燃料鹽中加入碳酸鈉。

PuO2 與 UO2 一起用于核反應堆的 MOX 燃料。 二氧化钚 238 用作多種深空航天器的燃料，例如卡西尼號、航海者號、伽利略號和新視野號探測器以及火星上的好奇號和毅力號探測器。 同位素通過發射 α 粒子衰變，然后產生熱量（參見放射性同位素熱電發生器）。 有人擔心從軌道意外重返地球大氣層可能會導致航天器解體和/或燃燒，從而導致钚擴散到地球的大片區域 行星表面或高層大氣中。 然而，盡管至少有兩艘搭載氧化鈾 RTG 的航天器重新進入地球大氣層并燒毀（1968 年 5 月的 Nimbus B-1 和 1970 年 4 月的阿波羅 13 號登月艙），但兩艘航天器的 RTG 在重返大氣層并完好無損地幸存下來 ，并且在這兩種情況下都沒有發現環境污染； 事實上，Nimbus RTG 是從太平洋海底完好無損地打撈上來的，一年后在 Nimbus 3 號上發射。 無論如何，在 1964 年 Transit 5-BN-3 發射失敗后，自 1960 年代中期以來，RTG 一直被設計成在再入和撞擊的情況下保持完好（船上的早期钚 RTG 在再入時解體并分散 放射性物質進入馬達加斯加北部的大氣層，促使重新設計當時正在使用或正在開發的所有美國 RTG）。

物理學家彼得·齊默爾曼 (Peter Zimmerman) 遵循泰德·泰勒 (Ted Taylor) 的建議，證明用二氧化钚可以相對容易地制造低當量（1 千噸）核武器。 這種炸彈需要的臨界質量比由元素钚制成的炸彈大得多（幾乎大三倍，即使二氧化硅處于xxx晶體密度；如果二氧化硅呈粉末狀，就像經常遇到的那樣，臨界質量會高得多 仍然），這是由于與元素钚相比，二氧化钚中钚的密度較低，而且所含空氣中增加了惰性物質。

二氧化钚在體內的行為隨服用方式的不同而不同。 攝入后，大部分會很快從身體廢物中排出體外，但一小部分會在酸性胃液中溶解成離子并穿過血液屏障，以其他化學形式沉積在其他器官中，例如吞噬細胞中 肺、骨髓和肝臟。

微粒形式的二氧化钚如果被吸入，粒徑小于 10 μm，由于其強烈的 α 輻射而具有放射毒性。