Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
103 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-8.  Parameters of ICRP (1994a) Model 
of Plutonium Biokinetics in Humans
a 
Age 
Parameter
b 
3 months  1 year 
5 years 
10 years 
15 years 
Adult 
Blood to ovaries 
8.0x10
-6 
1.0x10
-5 
2.6x10
-5 
4.5x10
-5 
7.8x10
-5 
7.1x10
-5 
Liver (1) to small 
1.33x10
-4 
1.33x10
-4 
1.33x10
-4 
1.33x10
-4 
1.33x10
-4 
1.330x10
-4 
intestine 
Blood to upper large  1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.290x10
-2 
intestine contents 
Blood to kidney 
6.47x10
-3 
6.47x10
-3 
6.47x10
-3 
6.47x10
-3 
6.47x10
-3 
6.470x10
-3 
(urinary path) 
Blood to urinary 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
1.290x10
-2 
bladder contents 
Soft tissue (ST1) to 
4.75x10
-4 
4.75x10
-4 
4.75x10
-4 
4.75x10
-4 
4.75x10
-4 
4.750x10
-4 
urinary bladder 
contents 
Kidneys (urinary path)  1.386x10
-2 
1.386x10
-2 
1.386x10
-2 
1.386x10
-2 
1.386x10
-2 
1.386x10
-2 
to bladder 
Gastrointestinal tract  5.0x10
-3 
5.0x10
-4 
5.0x10
-4 
5.0x10
-4 
5.0x10
-4 
5.0x10
-4 
to blood
c 
a
See Figure 3-6 for schematic representation of model.
b
Units are in days
-1
, except for gastrointestinal tract to blood, which is unitless.
 
c
Values shown for the absorption fraction are for general public exposures (e.g., diet).  Recommended values for
 
occupational exposures are as follows:  oxides (excluding poly-disperse oxides), 1x10
-5
; nitrates, 1x10
-4
; other
 
compounds or unknown mixtures, 1x10
-4 
.
 

---

PLUTONIUM 
104 
3.  HEALTH EFFECTS 
Figure 3-6.  Schematic Representation of the ICRP (1994a)
 
Model of Plutonium Biokinetics in Humans*
 
Other Soft Tissues 
Rapid   turnover 
Intermediate          
Slow turnover 
(ST0) 
turnover (ST1) 
(ST2) 
Kidneys 
Other kidney 
Liver 2 
Urine 
Urinary 
tissue 
bladder 
contents 
Liver 1 
Urinary path 
Blood 
Skeleton 
Gastrointestinal 
tract contents 
Cortical 
Cortical 
Cortical 
volume 
surface 
marrow 
Feces 
Trabecular 
Trabecular 
Trabecular 
volume 
surface 
marrow 
Gonads 
*See Table 3-8 for parameter values. 

---

PLUTONIUM 
105 
3.  HEALTH EFFECTS 
Bone is divided into trabecular and cortical components, with each further divided into bone surface, bone 
volume, and bone cavity (marrow compartment).  Initial deposition of plutonium is assumed to occur 
from blood directly to bone surfaces, where it can be transferred to bone marrow or to bone volume.  
Elimination of plutonium in bone surface and bone volume is assumed to occur through bone marrow to 
blood.  Transfers of plutonium within the cortical or trabecular bone compartments are modeled based on 
assumptions about rates of bone formation and resorption, which are assumed to be vary with age (ICRP 
1990; Leggett 1985).  Movement of plutonium to the marrow compartment is determined by the bone 
resorption rate, whereas movement from the bone surface to the bone volume is assumed to occur by 
burial of surface deposits with new bone and is determined by the bone formation rate.  During growth, 
bone formation and resorption are assumed to occur at different sites within bone; therefore, the rate of 
removal of plutonium from the bone surface is approximated by the sum of the bone resorption rate 
(represented in the model by the movement of plutonium to the marrow compartment) and the rate of 
bone formation, which results in burial of surface deposits (represented by movement of plutonium from 
the bone surface to bone volume).  In adults, the possibility of resorption and formation of bone occurring 
at the same site is assumed; therefore, only a portion (50%) of the bone formation rate results in burial of 
surface deposits and movement of plutonium from the bone surface to the bone volume.  Rates of uptake 
of plutonium into bone surface are assumed to be relatively fast (half-life=3–6 days, adults) compared to 
rates for distribution within bone and exit from bone (half-life=10
3
–10
4 
days, adults; 10
2
–10
3 
days, 
children); this results in relatively rapid uptake and long retention of plutonium in bone.  Rates of 
distribution within bone are assumed to be higher in children (by a factor of approximately 10), reflecting 
more rapid bone turn-over in children.  Rates of uptake of plutonium into liver are assumed to be 
relatively fast (half-life=3–11 days) compared to elimination from liver (t
1/2
=10
3 
days), which results in 
relatively rapid uptake and long retention of plutonium in liver.  Predicted kinetics of skeletal and liver 
plutonium burdens in adults and children, following a single dose of plutonium to blood (e.g., intravenous 
dose) are shown in Figure 3-7. 
Validation of the Model. 
ICRP 1994a has been evaluated with data on plutonium excretion and 
postmortem tissue levels in plutonium workers (e.g., Carbaugh and La Bone 2003; Filipy and Kathren 
1996; Fritsch 2007; Hodgson et al. 2003; James et al. 2003; Singh et al. 2003).  Uncertainty analysis of 
model predictions has been reported (Suzuki et al. 2002). 
Risk Assessment. 
The model has been used to establish the radiation dose (Sv) per unit of ingested 
or inhaled plutonium (Bq) for intake ages 3 months to 70 years (ICRP 1994a, 2001).  The dose integration 

---