Toxicological Profile for Plutonium

7 
PLUTONIUM 
1.  PUBLIC HEALTH STATEMENT 
The USNRC has recommended the following radiation exposure limits for the general public and for 
workers: 
General public 
0.1 rem/year for the general public and 0.5 rem/year for people who work 
with medical patients.  These regulations are for all forms of radiation 
combined, so they are not only for plutonium. 
Workers 
5 rem/year for workers in industries where exposure to radiation may occur 
and 0.5 rem for the pregnancy period following the declaration of pregnancy 
by a woman in an industry where exposure to radiation may occur. 
These recommended radiation exposure limits are for all forms of radiation combined and are not specific 
to plutonium.  The limits are expressed in units called rem (roentgen equivalent man).  A rem is a 
radiation unit that expresses the radiation equivalent dose to a particular organ or tissue.  The limits on 
equivalent dose are used to calculate the limits on the amount of radioactive substances that can be 
inhaled or ingested. 
Additional information on governmental regulations regarding plutonium can be found in Chapter 8. 
1.10   WHERE CAN I GET MORE INFORMATION? 
If you have any more questions or concerns, please contact your community or state health or 
environmental quality department, or contact ATSDR at the address and phone number below. 
ATSDR can also tell you the location of occupational and environmental health clinics.  These clinics 
specialize in recognizing, evaluating, and treating illnesses that result from exposure to hazardous 
substances. 
Toxicological profiles are also available on-line at www.atsdr.cdc.gov and on CD-ROM.  You may 
request a copy of the ATSDR ToxProfiles
TM 
CD-ROM by calling the toll-free information and technical 

---

8 
PLUTONIUM 
1.  PUBLIC HEALTH STATEMENT 
assistance number at 1-800-CDCINFO (1-800-232-4636), by e-mail at [e-mail], or by writing 
to: 
Agency for Toxic Substances and Disease Registry  
Division of Toxicology and Environmental Medicine  
1600 Clifton Road NE  
Mailstop F-62  
Atlanta, GA 30333  
Fax: [phone]  
Organizations for-profit may request copies of final Toxicological Profiles from the following: 
National Technical Information Service (NTIS)  
5285 Port Royal Road  
Springfield, VA 22161  
Phone: [phone] or 1-703-605-6000  
Web site: http://www.ntis.gov/  

---

9 
PLUTONIUM 
2.  RELEVANCE TO PUBLIC HEALTH
 
2.1  
BACKGROUND AND ENVIRONMENTAL EXPOSURES TO PLUTONIUM IN THE 
UNITED STATES 
Plutonium is primarily a human-made radioactive element of the actinide series and was the first human-
made element to be synthesized in weighable amounts.  Plutonium was first synthesized by the 
bombardment of uranium with deuterons (
2
H) by Seaborg and co-workers in 1940.  Although 20 isotopes 
of plutonium (
228-247
Pu) have been identified, the alpha-emitting 
238
Pu and 
239
Pu isotopes are the ones most 
commonly encountered and widely studied for potential adverse health effects.  The isotope 
239
Pu was 
first used in fission weapons beginning in 1945 and is produced during the bombardment of uranium 
(
235
U) by neutrons in nuclear reactors.  Approximately one-third of the total energy produced in a typical 
commercial nuclear power plant comes from the fission of 
239
Pu produced from 
235
U.  The isotope 
238
Pu 
has been used as a heat source in nuclear batteries to produce electricity in devices such as unmanned 
spacecraft and interplanetary probes.  Plutonium is a carefully regulated material under government and 
International Atomic Energy Agency (IAEA) control and has no commercial usage, with the exception of 
small quantities used in research laboratories.  Approximately 1,855 metric tons of plutonium was 
estimated to exist worldwide at the end of 2003; most of which was found in spent fuel from nuclear 
power plants.  A plutonium production rate of 70–75 metric tons/year was estimated for reactors 
worldwide in 2003. 
The main sources of plutonium in the environment are releases from research facilities, nuclear weapons 
testing, waste disposal, nuclear weapons production facilities, and accidents.  Atmospheric testing of 
nuclear weapons, which ended in 1980, is the source of most of the plutonium in the environment 
worldwide, which released approximately 10,000 kilograms of plutonium.  Trace amounts of plutonium 
(including 
238
Pu, 
239
Pu, 
240
Pu, and 
241
Pu) are found worldwide, mostly due to fallout from atmospheric 
nuclear testing.  Trace amounts of 
239
Pu are found in naturally occurring uranium ores, although in such 
small amounts that extraction is not practical.  Small amounts of 
244
Pu also exist in nature from remnants 
of primordial stellar nucleosynthesis and from “natural” reactors such as the Oklo natural reactor in the 
African nation of Gabon, which existed about 2 billion years ago.  Plutonium released to the atmosphere 
reaches the earth's surface through wet and dry deposition to the soil and surface water.  Once in these 
media, soluble plutonium can sorb to soil and sediment particles or bioaccumulate in terrestrial and 
aquatic food chains. 

---

10 
PLUTONIUM 
2.  RELEVANCE TO PUBLIC HEALTH 
Humans may be exposed to plutonium by breathing air, drinking water, or eating food containing 
plutonium; however, the levels of plutonium in air, water, soil, and food are generally very low, and of 
little health consequence.  Average plutonium levels in surface soil from fallout range from 0.01 to 
0.1 picocuries (pCi) per gram of soil (1 picocurie equals one-trillionth [10
-12
] of a curie).  In general, 
plutonium concentrations in air are low.  Baseline 
239
Pu concentrations in air ranging from 1.6x10
-6 
to 
3.8x10
-6 
pCi per cubic meter of air (pCi/m
3
) have been reported. 
2.2   SUMMARY OF HEALTH EFFECTS 
Risks for adverse outcomes of plutonium exposures are strongly dependent on radiation doses received by 
specific tissues and organ systems.  Most of the body burden of plutonium resides in the skeleton and 
liver, and following inhalation exposures, in the lung and lung-associated lymph nodes.  As a result, these 
tissues receive relatively high radiation doses following exposures to plutonium.  Radiation-induced 
toxicity to these tissues has been documented in human epidemiological studies and in animal models. 
The relatively high radiation doses received by bone, liver, and lung lend greater credibility to the 
epidemiological findings for these tissues than for outcomes in other tissues that receive much smaller 
radiation doses.  All epidemiological studies that have reported adverse outcomes in these tissues have 
studied populations (i.e., workers in plutonium production and processing facilities) that experienced 
exposures and radiation doses that greatly exceed those experienced by the general public.  Accordingly, 
risks for these outcomes in the general population are substantially lower than reported for these more 
highly exposed worker populations. 
Death. 
Possible associations between exposure to plutonium and mortality have been examined in 
studies of workers at the U.S. plutonium production and/or processing facilities (Hanford, Los Alamos, 
Rocky Flats), as well as facilities in Russia (e.g., Mayak) and the United Kingdom (e.g., Sellafield).  The 
Mayak studies provide relatively strong evidence for an association between cancer mortality (bone, liver, 
lung) and exposure to plutonium.  Plutonium dose-response relationships for lung cancer mortality have 
been derived from studies of Mayak workers, who received much higher uptakes of plutonium compared 
to other epidemiological cohorts (i.e., mean body burdens 0.09–9.2 kBq, with much higher individual 
exposures [up to 470 kBq] in relatively large numbers of these workers).  Excess relative risk (ERR) 
estimated in three studies (adjusted for smoking) were 3.9 per Gy (95% confidence interval [CI]:  2.6– 
5.8) in males, and 19 per Gy (95% CI:  9.5–39) in females (attained age 60 years), 4.50 per Gy (95% CI: 
3.15–6.10) in males, and 0.11 per Sv (95% CI:  0.08–0.17) or 0.21 per Sv (95% CI:  0.15–0.35), 
depending on the smoking-radiation interaction model that was assumed (these estimates per Sv 

---