Toxicological Profile for Plutonium

Figure 3-3.  Compartment Model to Represent Particle Deposition and 
Time-Dependent Particle Transport in the Respiratory Tract*
 
S
Seq
equ
uest
estered 
ered iin 
n T
Tiissu
ssue 
e
S
Su
urf
rface T
ace Tran
ransp
spo
ort 
rt
A
Ant
nter
eriior
or
 
N
Nas
asal
al
1 
1
 
ET
ET
ET
E
Env
nviirronm
onment 
ent
E
Extr
xtrath
atho
orrac
aciic 
c
1 
11
14 
14
14
16 
16
N
Nas
asoo--or
oroo­-
0.
0.001 
001
ET
ET
ET
100 
100
2 
22
G
GII T
 Tra
ract
ct
phar
pharyynnx 
x
15 
15
LN
LN
Lar
Laryynx 
ET 
ET
ET
ET
11 
11
11
nx
SEQ
SEQ
13 
13
12 
12
0.
0.03 
03
10 
10
0.
0.01 
01
BB
BB
BB
SEQ
SEQ 
SEQ
BB
BB
2 
2
BB
BB
1 
1
B
Brronc
onchi 
hi
99 
9
8 
8
7 
7
0.
0.03 
03
2 
2
0.
0.01 
01
bb
bb
SEQ
SEQ
bb
bb
2 
2
bb
bb
1 
1
B
Brronc
onchi
hiol
oles 
es
LN
LN
TH 
TH
6 
6
55
4 
4
0.
0.0001 
0001 0.
0.001 
001 0.
0.02 
02
0.
0.00002 
00002
Al
Al
3 
3
Al
Al
2 
2
Al
Al
11
A
Allvveol
eolar 
ar
10 
10
3 
3
22
11
In
Inte
terrsstitititiuum 
m
T
Thor
hora
ac
ciic 
c
93 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
*Compartment numbers shown in lower right corners are used to define clearance pathways.  The clearance rates, 
half-lives, and fractions by compartment, as well as the compartment abbreviations are presented in Table 3-6. 
Source:  ICRP 1994b 

---

94 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-6.  Reference Respiratory Values for a General Caucasian Population at
 
Different Levels of Activity
 
Breathing 
10 Years 
15 Years 
Adult 
parameters:  3 Months  1 Year  5 Years  Male  Female  Both  Male  Female  Male  Female 
Resting (sleeping); maximal workload 8% 
Breathing parameters: 
V
T
(L) 
0.04 
0.07  0.17 
— 
— 
0.3 
0.500  0.417  0.625  0.444 
B(m
3
hour
-1
) 
0.09 
0.15  0.24 
— 
— 
0.31  0.42 
0.35 
0.45 
0.32 
f
R
(minute
-1
) 
38 
34 
23 
— 
— 
17 
14 
14 
12 
12 
Sitting awake; maximal workload 12% 
Breathing parameters: 
V
T
(L) 
NA 
0.1 
0.21 
— 
— 
0.33  0.533  0.417  0.750  0.464 
B(m
3
hour
-1
)  NA 
0.22  0.32 
— 
— 
0.38  0.48 
0.40 
0.54 
0.39 
f
R
(minute
-1
)  NA 
36 
25 
— 
— 
19 
15 
16 
12 
14 
Light exercise; maximal workload 32% 
Breathing parameters: 
V
T
(L) 
0.07 
0.13  0.24 
— 
— 
0.58  1.0 
0.903  1.25 
0.992 
B(m
3
hour
-1
) 
0.19 
0.35  0.57 
— 
— 
1.12  1.38 
1.30 
1.5 
1.25 
f
R
(minute
-1
) 
48 
46 
39 
— 
— 
32 
23 
24 
20 
21 
Heavy exercise; maximal workload 64% 
Breathing parameters: 
V
T
(L) 
NA 
NA 
NA 
0.841  0.667  — 
1.352  1.127  1.923  1.364 
B(m
3
hour
-1
)  NA 
NA 
NA 
2.22 
1.84 
— 
2.92 
2.57 
3.0 
2.7 
f
R
(minute
-1
)  NA 
NA 
NA 
44 
46 
— 
36 
38 
26 
33 
B = ventilation rate; f
R 
= respiration frequency; NA = not applicable; V
T 
= tidal volume 
Source:  See Annex B (ICRP 1994b) for data from which these reference values were derived. 

---

95 
PLUTONIUM 
3.  HEALTH EFFECTS 
Deposition of inhaled gases and vapors is modeled as a partitioning process that depends on the 
physiological parameters noted above as well as the solubility and reactivity of a compound in the 
respiratory tract (see Figure 3-4).  The ICRP (1994b) model defines three categories of solubility and 
reactivity:  SR-0, SR-1, and SR-2: 
•  
Type SR-0 compounds include insoluble and nonreactive gases (e.g., inert gases such as H
2
, He).  
These compounds do not significantly interact with the respiratory tract tissues, and essentially all 
compound inhaled is exhaled.  Radiation doses from inhalation exposure of SR-0 compounds are 
assumed to result from the irradiation of the respiratory tract from the air spaces. 
•  
Type SR-1 compounds include soluble or reactive gases and vapors which are expected to be 
taken up by the respiratory tract tissues and may deposit in any or all of the regions of the 
respiratory tract, depending on the dynamics of the airways and properties of the surface mucous 
and airway tissues, as well as the solubility and reactivity of the compound. 
•  
Type SR-2 compounds include soluble and reactive gases and vapors which are completely 
retained in the extrathoracic regions of the respiratory tract.  SR-2 compounds include sulfur 
dioxide (SO
2
) and hydrogen fluoride (HF). 
Respiratory Tract Clearance. 
This portion of the model identifies the principal clearance pathways 
within the respiratory tract.  The model was developed to predict the retention of various radioactive 
materials.  The compartmental model represents particle deposition and time-dependent particle transport 
in the respiratory tract (see Figure 3-3) with reference values presented in Table 3-7 (A,B).  This table 
provides clearance rates, expressed as a fraction per day and also as half-time (Part A), and deposition 
fractions (Part B) for each compartment for insoluble particles.  ICRP (1994b) also developed modifying 
factors for some of the parameters, such as age, smoking, and disease status.  Parameters of the clearance 
model are based on human evidence for the most part, although particle retention in airway walls is based 
on experimental data from animal experiments. 
The clearance of particles from the respiratory tract is a dynamic process.  The rate of clearance generally 
changes with time from each region and by each route.  Following deposition of large numbers of 
particles (acute exposure), transport rates change as particles are cleared from the various regions. 
Physical and chemical properties of deposited material determine the rate of dissolution and, as particles 
dissolve, absorption rates tend to change over time.  By creating a model with compartments of different 
clearance rates within each region (e.g., BB
1
, BB
2
, BB
seq
), the ICRP model overcomes problems 
associated with time-dependent functions.  Each compartment clears to other compartments by constant 
rates for each pathway. 

---