Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
163 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
6.2.2 
Water 
Fallout from atmospheric weapons testing, accidents involving nuclear weapons, planned as well as 
accidental reactor effluent releases, and disposal of radioactive wastes are all means by which plutonium 
can be introduced into water systems (Harley 1980; NEA/OECD 1981).  In a typical 1,000 megawatt 
electric (MWe) light water reactor in a nuclear power plant, about 200 kg of plutonium [equivalent to 
1.3x10
4 
Ci (4.8x10
14
 Bq), one curie of 
239
Pu=16 g] are generated per year of operation (DOE 1980g; 
NEA/OECD 1981).  Contaminated cooling water containing plutonium from nuclear production facilities 
may have been discharged into oceans or rivers.  If release occurs from waste containers, buried 
radioactive wastes may migrate or seep into groundwater (NEA/OECD 1981).  As an example of plant 
emissions, the Mound Plant in Miamisburg, Ohio, discharged a total of about 0.5 Ci (2x10
10 
Bq) 
238
Pu 
into a river near the site from the beginning of its operation through 1976 (NEA/OECD 1981).  The 
Savannah River Site, South Carolina, which produced plutonium and tritium as well as other nuclear 
materials from 1954 to 1988, released 2.3x10
10
 Bq (0.62 Ci) of plutonium to site streams and ponds 
during the period of 1954–1989 (Carlton et al. 1996).  From 1954 to 1988, the plutonium and uranium 
extraction (PUREX) process was used in the F-area of the Savannah River Site to recover 
239
Pu, as well as 
other radionuclides, from irradiated 
238
U.  During this time, the total reported release of 
239
Pu to the 
seepage basin at the F-area was 2.09x10
11
 Bq (5.65 Ci) (Dai et al. 2002). 
Liquid effluent containing various radionuclides is discharged from some of the facilities at the Hanford 
Site.  During 2004, 5.5x10
-6
 Ci (2.0x10
5 
Bq) of 
239,240
Pu were released to the Columbia River from the 
100 areas at the Hanford Site (DOE 2005c).  
In January, 1968, while attempting to make an emergency landing, a U.S. military aircraft with four 
nuclear weapons on board crashed in Thule, Greenland.  The impact resulted in detonation of the high 
explosives in all four nuclear weapons aboard.  The oxidized plutonium was dispersed by both the 
explosion and the fire involving the fuel in the jet (Harley 1980).  Amounts of plutonium released to the 
air in this accident have been estimated at 24 Ci (8.9x10
11
 Bq) of insoluble plutonium (NEA/OECD 
1981).  The maximum concentration of plutonium in ocean sediments was found 1 km from the point of 
impact.  The sediment-bound plutonium was found to migrate both downward in the sediment column 
and horizontally from the point of impact.  The concentrations decreased with distance from the point of 
impact. 

---

PLUTONIUM 
164 
6.  POTENTIAL FOR HUMAN EXPOSURE 
Sediments can act as both a repository for and a source of waterborne plutonium.  Atmospheric fallout 
reaching surface water can settle in the sediments.  The plutonium in the ocean sediments at Bikini Atoll, 
for example, was found to be resuspended and released to the bottom waters (DOE 1980b).  In a 
freshwater waste pond at the Hanford reactor, plutonium was found to be bound to the sediments and was 
not available for uptake by plants or animals in the pond (DOE 1980f).  The difference between the 
observations in the two ecosystems may be due to the dynamic nature of the ocean water near Bikini Atoll 
versus the relatively static nature of a waste water pond. 
On May 4, 2000, a prescribed burn grew out of control in Cerro Grande, New Mexico near the Los 
Alamos National Laboratory (LANL), which burned about 7,400 acres of forest on the LANL site (DOE 
2004).  The burned landscapes resulted in increased storm runoff and transport of various contaminants, 
which included plutonium and other radionuclides by runoff and erosion in the canyons traversing LANL.  
Compared with amounts measured in the 5 years before the fire, the yearly average amount of 
radioactivity carried by storm runoff flows beyond LANL downstream boundary in the two to three years 
following the fire increased about 55 times for 
239,240
Pu.  The increases were due mostly to erosion of 
LANL contaminated sediments. Annually, the estimated postfire transport of 
239,240
Pu downstream ranged 
from 2 millicuries (mCi) in the first year after the fire to 28 mCi in year 1 and a total of about 64 mCi of 
239,240
Pu was transported downstream in storm runoff through the 4-year period from 2000 through 2003 
(DOE 2004). 
Plutonium has been identified in 6 groundwater and 7 surface water samples collected from 1,689 NPL 
hazardous waste sites, where it was detected in some environmental media (HazDat 2007). 
6.2.3 
Soil 
Plutonium has been detected in extremely small amounts as a naturally occurring constituent of some 
minerals and ores.  Uranium and thorium ores in Canadian pitchblende, Belgium Congo pitchblende, 
Colorado pitchblende, Brazilian monazite, and North Carolina monazite have been found to contain 
244
Pu 
at a weight ratio of up to 9.1x10
-12
 kg plutonium/kg ore (Leonard 1980). 
Soils may become contaminated from fallout associated with nuclear weapons tests, such as those 
conducted at the Trinity Site in southern New Mexico, the Pacific Proving Ground at the Enewetak Atoll, 
and the Nevada Test Site or with accidental, nonnuclear detonation of nuclear weapons, such as occurred 
at Palomares, Spain.  Research facilities, such as the Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New 

---