Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
 
106 
 
3.  HEALTH EFFECTS 
 
 
Figure 3-7.  ICRP (1994a) Model Simulation of Elimination of an Absorbed 
Plutonium Dose (e.g., Intravenous) from the Body in Infants,  
Children, and Adults 
 
 
80
70
60
50
Adult (20 yr) 
40
30
Age 10 yr
20
Infant (3 mo)
10
0
0 
10
20
30
40
50
Time after Exposure (yr)
50
40
30
Adult (20 yr)
20
Age 10 yr
10
Infant (3 mo) 
0
0 
10
20
30
40
50
Time after Exposure (yr)
 
 
Li
ver
 B
ur
den (
%
 o
f I
ni
tial
) 
S
kel
et
al
 B
ur
den (
%
 o
f I
ni
tial
)
 
 
 
 
 

---

PLUTONIUM 
107 
3.  HEALTH EFFECTS 
period is 50 years for acute intake as an adult (age 25 years) and from intake to age 70 years for acute 
intake at ages ≤15 years. 
Target Tissues. 
The model is designed to calculate radiation dose coefficients (Sv/Bq) corresponding 
to specific inhalation or ingestion exposures to plutonium isotopes.  Dose coefficients have been 
estimated for all major organs, including the bone surfaces, bone marrow, and liver, and other tissues 
(ICRP 1994a, 1996a). 
Species Extrapolation. 
The model is based on both human and animal data.  However, it is intended 
for applications to human dosimetry.  Applications to other species would require consideration of 
species-specific adjustments in model parameters. 
Interroute Extrapolation. 
The ICRP model is designed to simulate kinetics of ingested plutonium, 
injected plutonium, and if combined with a respiratory tract model (e.g., ICRP Human Respiratory Tract 
Model for Radiological Protection, ICRP 1994b), inhalation exposures to plutonium.  The model can be 
applied to any other route of exposure for which the transfer rate to blood is available. 
Luciani and Polig (2000) Plutonium Biokinetics Model 
Description of the Model. 
Luciani and Polig (2000) developed a modification of the ICRP (1994a) 
model that provided a more physiological parameterization of urinary excretion pathways and 
modifications to the bone model.  Modifications to the structure of the model were:  (1) deletion of the 
transfer pathway from soft tissue ST1 to urinary bladder; (2) deletion of transfer pathways from cortical 
and trabecular bone surfaces to bone volume; and (3) addition of a transfer pathway from blood to bone 
volume (Figure 3-8).  Specific changes made to rate coefficients are presented in Table 3-9. 
Validation of the Model. 
The Luciani and Polig (2000) model was calibrated with data on long-term 
kinetics of plutonium in blood, urine, and feces following intravenous injection of Pu(IV) citrate into 
subjects suffering from chronic disorders (Langham et al. 1950, 1980; Moss and Gautier 1983; Rundo et 
al. 1976), and urinary excretion of plutonium in workers exposed to plutonium at the Mayak plant 
(Khokhryakov et al. 1994).  Predicted urinary excretion of plutonium was compared to observations made 
on nine workers (USTUR 1993; Voelz et al. 1979, 1985).  The Luciani and Polig (2000) model showed 
improved agreement between predictions and observations compared to the ICRP (1994a) model (Luciani 

---

Figure 3-8.  Schematic Representation of the Luciani and Polig (2000)
 
Model of Plutonium Biokinetics in Humans
 
Other soft tissues 
Rapid turnover 
Intermediate 
Slow turnover 
(ST0) 
turnover (ST1) 
(ST2) 
Kidneys 
Other kidney 
Liver 2 
Urinary 
Urine 
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 
PLUTONIUM 
108 
3.  HEALTH EFFECTS 

---

PLUTONIUM 
109 
3.  HEALTH EFFECTS 
Table 3-9.  Comparison of Parameters of ICRP (1994a) Model and Luciani and 
Polig (2000) Model of Plutonium Biokinetics in Humans
a
 
Adult parameter values 
Parameter
b 
ICRP (1994a) 
Luciani and Polig (2000) 
Soft tissue (ST0) to blood 
6.93x10
-1 
1.39x10
-1 d 
Soft tissue (ST1) to blood 
4.75x10
-4 
9.50x10
-4  d 
Soft tissue (ST2) to blood 
1.9x10
-5 
1.9x10
-5 
Cortical/trabecular bone marrow to blood 
7.6x10
-3 
7.6x10
-3 
Other kidney tissue to blood 
1.39x10
-3 
1.39x10
-3 
Liver (2) to blood 
2.11x10
-4 
4.00x10
-4 d 
Gonads to blood 
1.9x10
-4 
1.9x10
-4 
Blood to soft tissue (ST0) 
2.773x10
-1 
2.773x10
-1 
Blood to soft tissue (ST1) 
8.06x10
-2 
8.06x10
-2 
Blood to soft tissue (ST2) 
1.29x10
-2 
1.29x10
-2 
Blood to trabecular surface 
1.941x10
-1 
2.26x10
-1 d 
Blood to cortical surface 
1.294x10
-1 
9.52x10
-2 d 
Trabecular surface to volume 
2.47x10
-4 
Deleted 
Cortical surface to volume 
4.11x10
-5 
Deleted 
Trabecular surface to marrow 
4.93x10
-4 
1.59x10
-3 d 
Trabecular volume to marrow 
4.93x10
-4 
1.59x10
-4  d 
Cortical surface to marrow 
8.21x10
-5 
1.56x10
-4 d 
Cortical volume to marrow 
8.21x10
-5 
8.22x10
-5 d 
Blood to other kidney tissue 
3.23x10
-3 
3.23x10
-3 
Blood to liver (1) 
1.941x10
-1 
1.20x10
-1 d 
Liver (1) to liver (2) 
1.77x10
-3 
1.00x10
-2 d 
Blood to testes 
2.3x10
-4 
2.3x10
-4 
Blood to ovaries 
7.1x10
-5 
7.1x10
-5 
Liver (1) to small intestine 
1.33x10
-4 
4.00x10
-4 d 
Blood to upper large intestine contents 
1.29x10
-2 
8.0x10
-3 d 
Blood to kidney (urinary path) 
6.47x10
-3 
9.93x10
-3 d 
Blood to urinary bladder contents 
1.29x10
-2 
9.46x10
-3 d 
Soft tissue (ST1) to urinary bladder contents 
4.75x10
-4 
Deleted 
Kidneys (urinary path) to bladder 
1.386x10
-2 
1.02x10
-2 d 
Gastrointestinal tract to blood
c 
5.0x10
-4 
5.0x10
-4 
a
See Figure 3-8 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
; and other
 
compounds or unknown mixtures, 1x10
-4 
.
 
d
Modified in Luciani and Polig (2000).
 

---