Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
156 
5.  PRODUCTION, IMPORT/EXPORT, USE, AND DISPOSAL 
the disposal of HLW.  An alternative to burial of spent fuel is to store it for future use as fuel for nuclear 
reactors.  The uranium and plutonium could be extracted from spent fuel to be used as fuel in nuclear 
power plants. 
Transuranic wastes (TRUs) contain significant amounts of plutonium or other transuranic elements.  As 
of 2006, the Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) near Carlsbad, New Mexico was the only operating 
geological disposal facility in the world; TRU has been disposed of in the WIPP since 1999 (Murray and 
Fentiman 2006).  
In 2002, Yucca Mountain was approved by the Congress and the President as the site for the nation’s first 
permanent spent nuclear fuel and high-level radioactive waste geologic repository (DOE 2007b).  Most of 
the waste that may be disposed at Yucca Mountain will be spent nuclear fuel and high-level radioactive 
waste.  About 90% of this waste is from commercial nuclear power plants and the rest comes from 
defense programs.  Currently, this waste is stored at facilities in 43 states.  By Department of Energy 
(DOE) projections, the earliest the proposed repository at Yucca Mountain could open and begin 
accepting waste is 2017; however, various steps must first be met before this can occur (EPA 2009).  
Spent fuels must be stored in water pools or in dry storage casks at nuclear plant sites until a repository is 
completed (Murray 2005).  

---

PLUTONIUM 
157 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
6.1   OVERVIEW 
Plutonium has been identified in at least 16 of the 1,689 hazardous waste sites that have been proposed 
for inclusion on the EPA National Priorities List (NPL) (HazDat 2007).  However, the number of sites 
evaluated for plutonium is not known.  The frequency of these sites can be seen in Figure 6-1.  Of these 
sites, all are located within the United States. 
Trace amounts of plutonium are found worldwide, mostly due to fallout from atmospheric nuclear testing, 
which ended in 1980, and released several isotopes of plutonium, including 
238
Pu, 
239
Pu, 
240
Pu, and 
241
Pu 
(Clark et al. 2006; DOE 2005a; Eisenbud and Gesell 1997).  Plutonium is not naturally occurring; 
however, trace amounts of 
239
Pu are found in naturally occurring uranium ores, but the amounts are in 
such small amounts that extraction is not practical (Clark et al. 2006; Lide 2005).  Small amounts of 
244
Pu 
exist in nature from remnants of primordial stellar nucleosynthesis (Clark et al. 2006).  Small amounts of 
plutonium were produced in natural reactors, such as the Oklo natural reactor in the African nation of 
Gabon, which existed about 2 billion years ago (DOE 2005a).  The most common form of plutonium 
found in the environment is 
239
Pu, followed by 
240
Pu (DOE 1999a). 
Large quantities of plutonium were first produced during the 1940s as part of the Manhattan Project in 
order to produce the atomic bomb.  Production continued throughout the years of the Cold War (DOE 
2005a).  The United States built and operated 14 plutonium-production reactors at the Hanford, 
Washington and Savannah River, South Carolina sites starting in 1944 and ending in 1988 with the 
shutdown of the last reactor.  A total of approximately 100 metric tons of plutonium was produced during 
this time (DOE 1996b).  
The principal plutonium isotopes used in military and nonmilitary applications are 
238
Pu and 
239
Pu.  These 
two isotopes are used because of their ease of production and their relatively long half-lives. 
238
Pu is used 
as a heat source in nuclear batteries to produce electricity in devices such as unmanned spacecraft, and 
interplanetary probes (DOE 2005a; Koch 2005). 
239
Pu and 
240
Pu are produced in nuclear power plants as 
a product of nuclear fission as well as in production facilities for use in nuclear weapons. 
Possible sources of plutonium to the environment include:  past atmospheric weapons testing, accidents 
involving weapons transport, accidents involving failed space launches of satellites, operating nuclear 
reactors and radioisotope generators, fuel processing and reprocessing activities, and fuel transport 

---

PLUTONIUM 
158 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
Figure 6-1.  Frequency of NPL Sites with Plutonium and Selected Isotopes 
Contamination 

---

PLUTONIUM 
159 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
(NEA/OECD 1981).  Plutonium is a byproduct of nuclear energy generation.  It is produced in uranium-
fueled reactors through neutron capture by uranium-238 (
238
U) (Clark et al. 2006; Koch 2005).  
Approximately 1,855 metric tons of plutonium were estimated to exist worldwide at the end of 2003, with 
1,370 metric tons found within used fuel from nuclear power plants.  A plutonium production rate of 70– 
75 metric tons/year was estimated for reactors worldwide at the end of 2003 (Albright and Kramer 2004; 
Clark et al. 2006).  
The main sources of plutonium in the environment are releases from research facilities, past atmospheric 
nuclear weapons testing, waste disposal, nuclear weapons production facilities, and accidents (DOE 
1999a).  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 kg of plutonium (DOE 
2005a).  Nuclear reactor accidents (e.g., the Chernobyl reactor in 1986) and other accidents involving 
non-U.S. nuclear-powered submarines or nuclear weapons have also released plutonium into the 
environment.  The total amount of plutonium released during these accidents is small on a global scale as 
compared to the amount of plutonium released during atmospheric nuclear weapons testing.  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, plutonium can sorb to soil and sediment particles or bioaccumulate 
in terrestrial and aquatic food chains. 
6.2   RELEASES TO THE ENVIRONMENT 
Concentrations of plutonium are generally expressed in terms of activity, either in the curie (Ci) or the SI 
unit, the becquerel (Bq), where 1 Ci=3.7x10
10
 Bq=0.037 TBq or 1 Bq=2.7x10
-11 
Ci=27 pCi.  Activities 
may be converted into mass units using the specific activities for each plutonium isotope.  Specific 
activities for various plutonium isotopes are provided in Table 4-3.  Throughout this chapter, the units 
used to express concentration or intake of plutonium are generally the same units reported by the authors, 
which are followed by converted units in parenthesis.  However, in some cases, the units originally 
reported by the authors may be converted (e.g., from Bq to mBq or from nCi to pCi) for ease of 
comparison of concentrations within a section.  Common metric prefixes are provided in Table 6-1. 
Possible sources of plutonium to the environment include:  atmospheric weapons testing, accidents 
involving weapons transport, operating nuclear reactors and radioisotope generators, fuel processing and 
reprocessing activities, and fuel transport (NEA/OECD 1981).  However, plutonium or plutonium 

---