當冷卻反應堆的水位降至危險的低水平時，熔燬開始了，當時，有記錄以來第四大地震震撼了福島第一核電站。40分鐘後，當14米高的海嘯席捲而來時，其六個反應堆中有五個失去了電力。備用柴油發電機失去了油箱並停止運轉。冷卻水泵失效。核燃料棒開始熔化，揮發性氫氣積聚。隨後的爆炸和火災噴射出僅銫137就達15,000太貝克勒爾的放射性物質，足以讓官員們在核電站周圍劃定一個20公里的“禁區”，該禁區至今仍然存在。（貝克勒爾是放射性衰變率的單位——或物質釋放的輻射。）因此，始於2011年3月11日的福島第一核電站緊急事件是僅次於1986年4月蘇聯切爾諾貝利核設施（位於烏克蘭）爆炸的反應堆事故，成為第二個被評為最嚴重的國際危機等級的核事故。
但考慮到福島核電站的反應堆型別，這場災難並不令人意外。事實上，核能專家、計算機模型和其他分析已經持續數十年地表明，福島第一核電站使用的較舊的沸水反應堆的問題將變得災難性，原因是容納核燃料的缺陷安全系統，即 Mark I 型安全殼。“它是我們擁有的所有安全殼中最糟糕的一個”——並且在完全停電的情況下，“你將會失去安全殼”，美國核管理委員會 (NRC) 副區域主管查爾斯·卡斯托在2011年3月16日指出，他當時在日本協助，根據美國核管理委員會發布的內部會議記錄。“毫無疑問。”
美國有 23 個反應堆具有相同型別的安全系統——以及相同的乏燃料池的危險位置，即在反應堆建築物頂部的反應堆主體旁邊。美國的反應堆在危機中的表現會比日本的更好嗎？福島事件對全球反應堆安全有何啟示？
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偏離目標
Mark I 型安全殼是反應堆本身下方的一個甜甜圈形結構，部分充滿水。如果向反應堆供應新鮮冷卻水的泵發生故障，環形結構設計應該提供額外的冷卻。由仍在裂變的燃料產生的蒸汽湧入環形結構，並在那裡被補充水冷卻。額外的冷卻將限制任何蒸汽積聚產生的壓力，理論上允許反應堆設計者在安全系統的其他部分使用較小的強度。
不幸的是，環形結構提供的任何額外冷卻都無法持續像福島核電站電力損失那麼長時間。結果，核燃料棒加熱了它們的鋯合金包殼以及剩餘的水變成蒸汽。在高溫下，包殼與周圍的水蒸氣相互作用，與氧氣緊密結合並釋放出氫氣，氫氣以氣體的形式逸出。如果允許積聚，氫氣會像三里島核電站（具有不同的安全殼系統）那樣以看不見的火焰燃燒，或者像福島核電站的情況一樣，發生爆炸。據日本原子力安全保安院稱，該綜合設施可能以這種方式產生了多達 1,000 公斤的氫氣。事實上，3 號機組的核燃料產生了足夠的氫氣，透過共用的排氣管導致隔壁 4 號機組發生爆炸。
為了最大限度地減少此類氫氣積聚的可能性，美國核管理委員會建議美國反應堆加強排氣口，以確保它們可以用於緩解此類危險的壓力積聚。畢竟，氫氣的積聚也可能使壓力升高到超過安全系統的設計極限。福島第一核電站實際上有這種加固的排氣口，但這些排氣口要麼未能執行，要麼沒有及時使用以防止爆炸。一個問題可能是排氣口的執行需要電力——而當時受損的核電站沒有電力。
美國核管理委員會發言人斯科特·伯內爾說：“美國核管理委員會正在實施一項[建議]，透過使排氣口在‘不利條件’下（例如電力損失）‘可靠’來加強排氣口。” 該機構的結論是，這種自願改進提供了“適當的保護”，以保護公眾健康和安全。除此之外，預計新規則將解決從福島核危機中吸取的任何教訓。
無論排氣口是否能夠適當發揮作用，美國和日本沸水反應堆的執行之間存在一個明顯的區別——在美國，反應堆操作員有權在條件允許的情況下排放放射性蒸汽或氫氣。東京電力公司 (TEPCO) 的員工（該公司運營福島第一核電站）似乎需要或至少尋求政府授權才能這樣做。核能研究所 (NEI)（一個行業組織）的機械工程師維傑·尼勒卡尼解釋說：“他們擔心排放可能會使放射性物質流入空氣，而且他們尚未完全疏散該地區。” 尼勒卡尼解釋說，當疏散和授權發生時，“他們已經損壞了堆芯，並且正在排放導致爆炸的氫氣。” “如果你不損壞你的堆芯，你就不會產生導致爆炸的大量氫氣。”
此外，氫氣是如何從包含反應堆壓力容器的密封區域進入周圍建築物——然後在建築物內積聚到足以爆炸的量，仍然不清楚。一種說法是，沸騰的蒸汽產生的巨大壓力打開了螺栓周圍的縫隙，使得氫氣逸出，或者排氣口本身洩漏了。
長期以來，Mark I 型安全殼的這些問題一直是一個問題，美國原子能委員會（美國核管理委員會的前身）早在 1972 年的一份內部備忘錄中就強調了其“安全缺點”。美國核管理委員會仍然允許使用它，因為“Mark I 型安全殼可以存活足夠長的時間，以便在發生放射性物質洩漏事件時採取措施確保公眾安全”，伯內爾說。換句話說，將有時間進行疏散或採取其他安全預防措施。
最壞情況建模
為了做出這一判斷，美國核管理委員會依賴於計算機建模，其中最新的一個被稱為最先進的反應堆後果分析。該建模選取了美國兩座具有代表性的核電站——弗吉尼亞州薩里核電站的壓水反應堆和賓夕法尼亞州桃底核電站的沸水反應堆——並試圖評估在嚴重事故中會發生什麼，例如地震導致所有電力損失等情況。
桃底核電站的反應堆與福島核電站使用的反應堆大致相似。事實上，它們非常相似，以至於美國核管理委員會甚至求助於此分析來試圖預測後者在事故期間可能發生的情況。正如日本危機期間所發生的那樣，計算機建模表明，桃底核電站兩個反應堆中的一個的燃料將在冷卻水流失九小時後開始熔化。如果冷卻水沒有恢復，桃底核電站的 Mark I 型安全殼將在地震發生後大約 20 小時失效。然後，破損的反應堆將噴出“堆芯庫存的 16%”——“庫存”是指銫 137，以及熱核燃料中的其他 68 种放射性同位素。分析得出的結論是，釋放的後果“可能很嚴重”。
但是，計算機建模僅分析了這些核電站中每個核電站的一個反應堆的災難性故障，儘管桃底核電站和薩里核電站每個核電站都有兩個反應堆。正如在福島危機期間看到的那樣，多個反應堆可能會受到共同挑戰的類似困擾。建模也沒有分析如果強烈的地震立即摧毀安全裝置或在容納反應堆本身的結構上撕開一個洞會發生什麼。
福島核電站和美國計算機模型揭示的關鍵弱點是備用電力的可靠性。福島核電站的反應堆配備了足夠大的電池，可以為裝置（包括監測儀器）供電八小時。美國反應堆僅被要求擁有兩小時的此類電池備用時間。美國核管理委員會的伯內爾說：“美國核管理委員會目前正在修訂電站停電規則，這項工作可能會導致電池應對時間的改變。” “模型顯示，當電站停電但你仍然有電池時，可以採取一些步驟來超越被認為是電池正常壽命的時間。” 例如，工程師可以透過為電池充電和/或關閉所有非必要系統來延長電池壽命。
保持靈活性
就美國核工業而言，它表示將自願實施一種稱為 FLEX 的方法，該方法旨在成為一種“多樣化且靈活的應對能力”。核電站運營商將購買和儲存行動式裝置，這些裝置可用於提供額外的反應堆冷卻方法，該計劃最早可能在 2015 年到位。“FLEX 將提供多種獲取電力和水的方法，以滿足堆芯冷卻、安全殼完整性和乏燃料池冷卻的關鍵安全功能，從而避免核燃料損壞，”核能研究所福島監管響應執行主任阿德里安·海默解釋說。裝置清單可能包括額外的泵、用於為電池充電的行動式柴油發電機、額外的電池組和軟管以及燃料和柴油動力空氣壓縮機等。它們將使核電站執行 72 小時。核能研究所主席馬文·費特爾認為，在 2001 年 9 月恐怖襲擊事件發生後為提高安全性所做的類似工作“使我們在應對意外事件方面領先了 10 年”，而 FLEX 正是在此方法的基礎上構建的。
此外，目前在佐治亞州建造的新的壓水反應堆設計，即 AP-1000，採用了所謂的被動安全功能，包括在沒有任何人為干預的情況下，有足夠的水來冷卻反應堆三天。“如果福島使用了這種設計，我們就不會有新聞報道了，”負責新設計的西屋公司的執行長核工程師阿里斯·坎德里斯認為。“AP-1000 不受場外電力損失的影響。”
但即使在大型地震中表現不佳且不受場外電力損失影響的反應堆中，根據美國核管理委員會的最壞情況建模，也“基本上沒有早期死亡風險”。美國核管理委員會的伯內爾認為，即使放射性物質釋放到環境中，“它也很小，並且需要很長時間才能到達社群，人們已經疏散或受到其他保護。” “公眾避免了任何足以致命的短期劑量。” 這正是福島發生的事情。
乏燃料的危險
福島第一核電站發生的多次爆炸揭示了另一個安全風險，如果說有什麼的話，這個風險在美國更令人擔憂。爆炸撕開了反應堆建築物，損壞了12米深的池子，這些池子用於保持乏核燃料的冷卻，可能會引發乏燃料池的另一次熔燬，因為周圍的水排幹或沸騰了。沒有水的密集堆積的乏燃料會加熱到足以使其鋯合金包殼破裂，並最終點燃包殼。由於牆壁已被之前的爆炸炸燬，因此沒有任何東西可以阻止銫 137 和其他放射性同位素在福島反應堆的此類事件中逸出核燃料。
事實上，擴散到受災核電站西北部的汙染羽流可能來自此類乏燃料。儘管 4 號機組已關閉進行換料，但也遭受了爆炸，以及日本當局仍然認為是“潤滑油火災”的事件。（但美國核管理委員會的專家不同意，至少當時不同意：“我們知道這不是潤滑油火災，”美國核管理委員會廢物管理和環境保護部門主任拉里·坎珀在 2011 年 3 月 20 日的記錄中辯稱。）無論是什麼型別的火災，似乎都將放射性顆粒帶到了西北部的周圍鄉村，因為它在時間上與風向該方向一致。
在美國，由於缺乏處理此類核廢料的長期計劃，乏燃料池的堆積甚至更加密集，這使得在失水事件中更容易發生熔燬。美國 104 座核反應堆的此類乏燃料池容納了超過 45,000 公噸的全國約 65,000 公噸的此類乏核燃料。也就是說，核工業的 FLEX 方法還將包括額外的泵和軟管，以將水輸送到乏燃料池，以及監測其狀況的儀器。
具有諷刺意味的是，牆壁和屋頂的損失可能是防止福島發生更嚴重事故的關鍵。透過炸燬牆壁和屋頂，爆炸使應急人員能夠透過水炮和其他裝置直接（如果效率低下）地向池子中噴灑冷卻水。“如果這些爆炸沒有發生會怎樣？” 憂思科學家聯盟的核工程師大衛·洛克鮑姆問道。“建築物內的輻射水平太高，即使工作人員有向池子中加水的裝置，也無法進入。” 在這種情況下，乏核燃料很可能已經開始熔燬，並且幾乎沒有恢復冷卻水的方法。
事實上，在福島危機的第一週，應急人員試圖找到一種方法在未發生爆炸的 2 號機組反應堆建築物上開啟一個更大的洞，以便更好地注入冷卻水，而不會產生可能引發另一次氫氣爆炸的火花。
美國核管理委員會的解決方案是讓反應堆操作員新增軟管或噴灑系統，以允許向此類乏燃料池新增冷卻水。但是，由於此類池子位於較舊的沸水反應堆設計中——具體而言，位於反應堆建築物的上層——任何新增的水最終都會向下流過建築物，淹沒地下室的應急泵。“洛克鮑姆認為，這種‘修復’不是自然海嘯引發反應堆熔燬，而是在反應堆建築物內部引發人為海嘯，從而導致相同的結果。”
更糟糕的是，如果乏核燃料確實熔燬了，它也可能沿著相同的路徑向下流。“人們擔心這些東西可能已經熔穿了乏燃料池的混凝土地板，” 美國核管理委員會駐日本風險分析官員約翰·蒙寧格在 2011 年 3 月 20 日的記錄中指出。“下一站是環形結構頂部”，即包含額外冷卻水的甜甜圈形環。時任美國核管理委員會防備和響應部門主任布萊恩·麥克德莫特在一次電話會議上完成了這個想法，根據美國核管理委員會的記錄：“然後你可能會發生蒸汽爆炸，熔化的物質進入環形結構中的水中。在那之後，誰知道它會去哪裡。”
洛克鮑姆和其他專家認為，真正的解決方案是要求乏燃料在冷卻五年後從池子轉移到更永久的儲存設施中，即大型混凝土和鋼製容器中。這將減少池子中的燃料量，降低整體熱量，在緊急情況下允許池子本身容納更多的水，並減少發生事故時可能釋放的放射性物質的量。“減少乏燃料池的燃料是明智之舉，”洛克鮑姆說。
正如美國核管理委員會工作人員在福島緊急事件期間指出的那樣，當時人們擔心 4 號機組的乏燃料池可能失去了冷卻水並被反應堆建築物爆炸損壞，向已經很熱的燃料中新增冷水本身也會造成問題。“那將使那些燃料池‘瓦礫化’[原文如此]，”美國核管理委員會的卡斯托在 2011 年 3 月 17 日爭辯說，他根據記錄目睹了匈牙利發生的類似事故。“你把水澆在那些熱燃料上並使其瓦礫化，你也會得到微粒。所以你將會發生一定程度的重大釋放……加上它會被蒸汽帶走。”
無論如何，美國與福島第一核電站相同的 23 座沸水反應堆今天仍在發電。在日本，就在毀滅性的 9.0 級地震和海嘯發生前一個月，該綜合設施受損的 1 號機組反應堆已獲得批准再執行十年。2011 年 3 月 10 日，美國核管理委員會批准佛蒙特揚基核電站的類似設計和年代的沸水反應堆再執行 20 年 (pdf)，就在福島危機發生的前一天。
美國核管理委員會針對沸水反應堆的危機指南“實際上並沒有告訴你如何阻止[熔燬]”，卡斯托在 2011 年 3 月 16 日的記錄中指出。指南沒有揭示“如何緩解它，除了保持水在上面。” 儘管福島第一核電站發生了海嘯引發的災難，但水仍然是核安全的關鍵。