Myndigheterna har avböjt att säga något om resan och citerar säkerhetsproblem. Men Kyodo News har rapporterat att sändningen är en del av ett avtal om 2014 Japan slog mot USA för att minska sin massiva lager av plutonium.
Fartyget, tillsammans med ett andra fartyg, är på väg till Savannah River Site, en kärnkraftsreservat i South Carolina, där plutoniumet ska nedgraderas och lagras.
Båda fartygen, som heter Pacific Egret och Pacific Heron, är utrustade med sjövapen, the Associated Press rapporterade och avgick från en hamn i Tokai-byn, en kuststad cirka 80 miles nordost om Tokyo.
Fartygen kom först i Japan måndag och tog flera timmar att ladda plutoniumfyllda karmar. Det fanns inget ord när de skulle anlända till South Carolina, eller till och med vilken hamn de var avsedda för.
Plutonium som överlämnas av Japan är inte en liten mängd, men lägger fortfarande knappt ett land i landets stora plutoniumlager. Önskbart för forskning om kärnkraft äger ölandet nästan 50 ton, eller tillräckligt för nästan 6 000 atombomber.