当冷却反应堆的水位降至危险的低水平时，熔毁开始了，当时，有记录以来第四大地震震撼了福岛第一核电站。40分钟后，当14米高的海啸席卷而来时，其六个反应堆中有五个失去了电力。备用柴油发电机失去了油箱并停止运转。冷却水泵失效。核燃料棒开始熔化，挥发性氢气积聚。随后的爆炸和火灾喷射出仅铯137就达15,000太贝克勒尔的放射性物质，足以让官员们在核电站周围划定一个20公里的“禁区”，该禁区至今仍然存在。（贝克勒尔是放射性衰变率的单位——或物质释放的辐射。）因此，始于2011年3月11日的福岛第一核电站紧急事件是仅次于1986年4月苏联切尔诺贝利核设施（位于乌克兰）爆炸的反应堆事故，成为第二个被评为最严重的国际危机等级的核事故。
但考虑到福岛核电站的反应堆类型，这场灾难并不令人意外。事实上，核能专家、计算机模型和其他分析已经持续数十年地表明，福岛第一核电站使用的较旧的沸水反应堆的问题将变得灾难性，原因是容纳核燃料的缺陷安全系统，即 Mark I 型安全壳。“它是我们拥有的所有安全壳中最糟糕的一个”——并且在完全停电的情况下，“你将会失去安全壳”，美国核管理委员会 (NRC) 副区域主管查尔斯·卡斯托在2011年3月16日指出，他当时在日本协助，根据美国核管理委员会发布的内部会议记录。“毫无疑问。”
美国有 23 个反应堆具有相同类型的安全系统——以及相同的乏燃料池的危险位置，即在反应堆建筑物顶部的反应堆主体旁边。美国的反应堆在危机中的表现会比日本的更好吗？福岛事件对全球反应堆安全有何启示？
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偏离目标
Mark I 型安全壳是反应堆本身下方的一个甜甜圈形结构，部分充满水。如果向反应堆供应新鲜冷却水的泵发生故障，环形结构设计应该提供额外的冷却。由仍在裂变的燃料产生的蒸汽涌入环形结构，并在那里被补充水冷却。额外的冷却将限制任何蒸汽积聚产生的压力，理论上允许反应堆设计者在安全系统的其他部分使用较小的强度。
不幸的是，环形结构提供的任何额外冷却都无法持续像福岛核电站电力损失那么长时间。结果，核燃料棒加热了它们的锆合金包壳以及剩余的水变成蒸汽。在高温下，包壳与周围的水蒸气相互作用，与氧气紧密结合并释放出氢气，氢气以气体的形式逸出。如果允许积聚，氢气会像三里岛核电站（具有不同的安全壳系统）那样以看不见的火焰燃烧，或者像福岛核电站的情况一样，发生爆炸。据日本原子力安全保安院称，该综合设施可能以这种方式产生了多达 1,000 公斤的氢气。事实上，3 号机组的核燃料产生了足够的氢气，通过共用的排气管导致隔壁 4 号机组发生爆炸。
为了最大限度地减少此类氢气积聚的可能性，美国核管理委员会建议美国反应堆加强排气口，以确保它们可以用于缓解此类危险的压力积聚。毕竟，氢气的积聚也可能使压力升高到超过安全系统的设计极限。福岛第一核电站实际上有这种加固的排气口，但这些排气口要么未能运行，要么没有及时使用以防止爆炸。一个问题可能是排气口的运行需要电力——而当时受损的核电站没有电力。
美国核管理委员会发言人斯科特·伯内尔说：“美国核管理委员会正在实施一项[建议]，通过使排气口在‘不利条件’下（例如电力损失）‘可靠’来加强排气口。” 该机构的结论是，这种自愿改进提供了“适当的保护”，以保护公众健康和安全。除此之外，预计新规则将解决从福岛核危机中吸取的任何教训。
无论排气口是否能够适当发挥作用，美国和日本沸水反应堆的运行之间存在一个明显的区别——在美国，反应堆操作员有权在条件允许的情况下排放放射性蒸汽或氢气。东京电力公司 (TEPCO) 的员工（该公司运营福岛第一核电站）似乎需要或至少寻求政府授权才能这样做。核能研究所 (NEI)（一个行业组织）的机械工程师维杰·尼勒卡尼解释说：“他们担心排放可能会使放射性物质流入空气，而且他们尚未完全疏散该地区。” 尼勒卡尼解释说，当疏散和授权发生时，“他们已经损坏了堆芯，并且正在排放导致爆炸的氢气。” “如果你不损坏你的堆芯，你就不会产生导致爆炸的大量氢气。”
此外，氢气是如何从包含反应堆压力容器的密封区域进入周围建筑物——然后在建筑物内积聚到足以爆炸的量，仍然不清楚。一种说法是，沸腾的蒸汽产生的巨大压力打开了螺栓周围的缝隙，使得氢气逸出，或者排气口本身泄漏了。
长期以来，Mark I 型安全壳的这些问题一直是一个问题，美国原子能委员会（美国核管理委员会的前身）早在 1972 年的一份内部备忘录中就强调了其“安全缺点”。美国核管理委员会仍然允许使用它，因为“Mark I 型安全壳可以存活足够长的时间，以便在发生放射性物质泄漏事件时采取措施确保公众安全”，伯内尔说。换句话说，将有时间进行疏散或采取其他安全预防措施。
最坏情况建模
为了做出这一判断，美国核管理委员会依赖于计算机建模，其中最新的一个被称为最先进的反应堆后果分析。该建模选取了美国两座具有代表性的核电站——弗吉尼亚州萨里核电站的压水反应堆和宾夕法尼亚州桃底核电站的沸水反应堆——并试图评估在严重事故中会发生什么，例如地震导致所有电力损失等情况。
桃底核电站的反应堆与福岛核电站使用的反应堆大致相似。事实上，它们非常相似，以至于美国核管理委员会甚至求助于此分析来试图预测后者在事故期间可能发生的情况。正如日本危机期间所发生的那样，计算机建模表明，桃底核电站两个反应堆中的一个的燃料将在冷却水流失九小时后开始熔化。如果冷却水没有恢复，桃底核电站的 Mark I 型安全壳将在地震发生后大约 20 小时失效。然后，破损的反应堆将喷出“堆芯库存的 16%”——“库存”是指铯 137，以及热核燃料中的其他 68 种放射性同位素。分析得出的结论是，释放的后果“可能很严重”。
但是，计算机建模仅分析了这些核电站中每个核电站的一个反应堆的灾难性故障，尽管桃底核电站和萨里核电站每个核电站都有两个反应堆。正如在福岛危机期间看到的那样，多个反应堆可能会受到共同挑战的类似困扰。建模也没有分析如果强烈的地震立即摧毁安全设备或在容纳反应堆本身的结构上撕开一个洞会发生什么。
福岛核电站和美国计算机模型揭示的关键弱点是备用电力的可靠性。福岛核电站的反应堆配备了足够大的电池，可以为设备（包括监测仪器）供电八小时。美国反应堆仅被要求拥有两小时的此类电池备用时间。美国核管理委员会的伯内尔说：“美国核管理委员会目前正在修订电站停电规则，这项工作可能会导致电池应对时间的改变。” “模型显示，当电站停电但你仍然有电池时，可以采取一些步骤来超越被认为是电池正常寿命的时间。” 例如，工程师可以通过为电池充电和/或关闭所有非必要系统来延长电池寿命。
保持灵活性
就美国核工业而言，它表示将自愿实施一种称为 FLEX 的方法，该方法旨在成为一种“多样化且灵活的应对能力”。核电站运营商将购买和存储便携式设备，这些设备可用于提供额外的反应堆冷却方法，该计划最早可能在 2015 年到位。“FLEX 将提供多种获取电力和水的方法，以满足堆芯冷却、安全壳完整性和乏燃料池冷却的关键安全功能，从而避免核燃料损坏，”核能研究所福岛监管响应执行主任阿德里安·海默解释说。设备清单可能包括额外的泵、用于为电池充电的便携式柴油发电机、额外的电池组和软管以及燃料和柴油动力空气压缩机等。它们将使核电站运行 72 小时。核能研究所主席马文·费特尔认为，在 2001 年 9 月恐怖袭击事件发生后为提高安全性所做的类似工作“使我们在应对意外事件方面领先了 10 年”，而 FLEX 正是在此方法的基础上构建的。
此外，目前在佐治亚州建造的新的压水反应堆设计，即 AP-1000，采用了所谓的被动安全功能，包括在没有任何人为干预的情况下，有足够的水来冷却反应堆三天。“如果福岛使用了这种设计，我们就不会有新闻报道了，”负责新设计的西屋公司的首席执行官核工程师阿里斯·坎德里斯认为。“AP-1000 不受场外电力损失的影响。”
但即使在大型地震中表现不佳且不受场外电力损失影响的反应堆中，根据美国核管理委员会的最坏情况建模，也“基本上没有早期死亡风险”。美国核管理委员会的伯内尔认为，即使放射性物质释放到环境中，“它也很小，并且需要很长时间才能到达社区，人们已经疏散或受到其他保护。” “公众避免了任何足以致命的短期剂量。” 这正是福岛发生的事情。
乏燃料的危险
福岛第一核电站发生的多次爆炸揭示了另一个安全风险，如果说有什么的话，这个风险在美国更令人担忧。爆炸撕开了反应堆建筑物，损坏了12米深的池子，这些池子用于保持乏核燃料的冷却，可能会引发乏燃料池的另一次熔毁，因为周围的水排干或沸腾了。没有水的密集堆积的乏燃料会加热到足以使其锆合金包壳破裂，并最终点燃包壳。由于墙壁已被之前的爆炸炸毁，因此没有任何东西可以阻止铯 137 和其他放射性同位素在福岛反应堆的此类事件中逸出核燃料。
事实上，扩散到受灾核电站西北部的污染羽流可能来自此类乏燃料。尽管 4 号机组已关闭进行换料，但也遭受了爆炸，以及日本当局仍然认为是“润滑油火灾”的事件。（但美国核管理委员会的专家不同意，至少当时不同意：“我们知道这不是润滑油火灾，”美国核管理委员会废物管理和环境保护部门主任拉里·坎珀在 2011 年 3 月 20 日的记录中辩称。）无论是什么类型的火灾，似乎都将放射性颗粒带到了西北部的周围乡村，因为它在时间上与风向该方向一致。
在美国，由于缺乏处理此类核废料的长期计划，乏燃料池的堆积甚至更加密集，这使得在失水事件中更容易发生熔毁。美国 104 座核反应堆的此类乏燃料池容纳了超过 45,000 公吨的全国约 65,000 公吨的此类乏核燃料。也就是说，核工业的 FLEX 方法还将包括额外的泵和软管，以将水输送到乏燃料池，以及监测其状况的仪器。
具有讽刺意味的是，墙壁和屋顶的损失可能是防止福岛发生更严重事故的关键。通过炸毁墙壁和屋顶，爆炸使应急人员能够通过水炮和其他设备直接（如果效率低下）地向池子中喷洒冷却水。“如果这些爆炸没有发生会怎样？” 忧思科学家联盟的核工程师大卫·洛克鲍姆问道。“建筑物内的辐射水平太高，即使工作人员有向池子中加水的设备，也无法进入。” 在这种情况下，乏核燃料很可能已经开始熔毁，并且几乎没有恢复冷却水的方法。
事实上，在福岛危机的第一周，应急人员试图找到一种方法在未发生爆炸的 2 号机组反应堆建筑物上打开一个更大的洞，以便更好地注入冷却水，而不会产生可能引发另一次氢气爆炸的火花。
美国核管理委员会的解决方案是让反应堆操作员添加软管或喷洒系统，以允许向此类乏燃料池添加冷却水。但是，由于此类池子位于较旧的沸水反应堆设计中——具体而言，位于反应堆建筑物的上层——任何添加的水最终都会向下流过建筑物，淹没地下室的应急泵。“洛克鲍姆认为，这种‘修复’不是自然海啸引发反应堆熔毁，而是在反应堆建筑物内部引发人为海啸，从而导致相同的结果。”
更糟糕的是，如果乏核燃料确实熔毁了，它也可能沿着相同的路径向下流。“人们担心这些东西可能已经熔穿了乏燃料池的混凝土地板，” 美国核管理委员会驻日本风险分析官员约翰·蒙宁格在 2011 年 3 月 20 日的记录中指出。“下一站是环形结构顶部”，即包含额外冷却水的甜甜圈形环。时任美国核管理委员会防备和响应部门主任布莱恩·麦克德莫特在一次电话会议上完成了这个想法，根据美国核管理委员会的记录：“然后你可能会发生蒸汽爆炸，熔化的物质进入环形结构中的水中。在那之后，谁知道它会去哪里。”
洛克鲍姆和其他专家认为，真正的解决方案是要求乏燃料在冷却五年后从池子转移到更永久的存储设施中，即大型混凝土和钢制容器中。这将减少池子中的燃料量，降低整体热量，在紧急情况下允许池子本身容纳更多的水，并减少发生事故时可能释放的放射性物质的量。“减少乏燃料池的燃料是明智之举，”洛克鲍姆说。
正如美国核管理委员会工作人员在福岛紧急事件期间指出的那样，当时人们担心 4 号机组的乏燃料池可能失去了冷却水并被反应堆建筑物爆炸损坏，向已经很热的燃料中添加冷水本身也会造成问题。“那将使那些燃料池‘瓦砾化’[原文如此]，”美国核管理委员会的卡斯托在 2011 年 3 月 17 日争辩说，他根据记录目睹了匈牙利发生的类似事故。“你把水浇在那些热燃料上并使其瓦砾化，你也会得到微粒。所以你将会发生一定程度的重大释放……加上它会被蒸汽带走。”
无论如何，美国与福岛第一核电站相同的 23 座沸水反应堆今天仍在发电。在日本，就在毁灭性的 9.0 级地震和海啸发生前一个月，该综合设施受损的 1 号机组反应堆已获得批准再运行十年。2011 年 3 月 10 日，美国核管理委员会批准佛蒙特扬基核电站的类似设计和年代的沸水反应堆再运行 20 年 (pdf)，就在福岛危机发生的前一天。
美国核管理委员会针对沸水反应堆的危机指南“实际上并没有告诉你如何阻止[熔毁]”，卡斯托在 2011 年 3 月 16 日的记录中指出。指南没有揭示“如何缓解它，除了保持水在上面。” 尽管福岛第一核电站发生了海啸引发的灾难，但水仍然是核安全的关键。