แผ่นดินไหวและคลื่นสึนามิในโทโฮกุ พ.ศ. 2554
ความเสียหายและผลกระทบ > โรงไฟฟ้านิวเคลียร์

บทความหลัก: ภัยพิบัตินิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง
โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่งและแห่งที่สอง โอนางาวะ และโทไก ซึ่งประกอบด้วยเตาปฏิกรณ์ทั้งสิ้น 11 เตา ถูกปิดลงอัตโนมัติหลังแผ่นดินไหว ส่วนฮิงาชิโกริ ซึ่งตั้งอยู่บนชายฝั่งตะวันออกเฉียงเหนือเช่นกัน ปิดตัวลงไปแล้วก่อนหน้านี้เพื่อตรวจสอบตามกำหนด ระบบทำความเย็นนั้นจำเป็นเพื่อกำจัดความร้อนจากการสลายหลังเครื่องปฏิกรณ์ถูกปิดลง และเพื่อรักษาบ่อเก็บเชื้อเพลิงใช้แล้ว กระบวนการหล่อเย็นสำรองได้พลังงานจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลฉุกเฉินที่โรงไฟฟ้า และที่โรงงานแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วร็อกคาโช (Rokkasho) ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟูกูชิมะทั้งสองแห่ง คลื่นสึนามิถาโถมข้ามยอดกำแพงกั้นน้ำและทำลายระบบพลังงานดีเซลสำรอง ทำให้เกิดปัญหาร้ายแรงที่ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง รวมทั้งเกิดเหตุระเบิดขนาดใหญ่ขึ้นสามครั้งและการรั่วไหลของกัมมันตภาพรังสี มีผู้ถูกอพยพไปมากกว่า 200,000 คน หลังจากความพยายามลดอุณหภูมิไม่ประสบผลมาเกือบสัปดาห์ จึงมีการใช้รถดับเพลิงและเฮลิคอปเตอร์ในการเทน้ำเพื่อลดอุณหภูมิ
เมื่อวิกฤตการณ์นิวเคลียร์ย่างเข้าสู่เดือนที่สอง ผู้เชี่ยวชาญยอมรับว่าฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่งมิใช่อุบัติเหตุนิวเคลียร์ครั้งร้ายแรงที่สุด แต่ยุ่งยากซับซ้อนที่สุด การวิเคราะห์ภายหลังบ่งชี้ว่าเครื่องปฏิกรณ์สามเครื่อง (หน่วยที่ 1, 2 และ 3) หลอมละลายและน้ำหล่อเย็นยังคงรั่วไหล จนถึงฤดูร้อน รัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงเศรษฐกิจ การค้าและอุตสาหกรรม หัวหน้าสำนักงานความปลอดภัยนิวเคลียร์และอุตสาหกรรม และหัวหน้าสำนักงานทรัพยากรธรรมชาติและพลังงาน ต้องพ้นจากตำแหน่งไป
ญี่ปุ่นประกาศสถานการณ์ฉุกเฉินหลังระบบหล่อเย็นล้มเหลวที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง ส่งผลให้ผู้อยู่อาศัยใกล้เคียงถูกอพยพไป เจ้าหน้าที่ทางการจากสำนักงานความปลอดภัยนิวเคลียร์และอุตสาหกรรมญี่ปุ่นรายงานระดับกัมมันตภาพรังสีในโรงไฟฟ้าสูงขึ้นมากกว่าปกติถึง 1,000 เท่า และระดับกัมมันตภาพรังสีนอกโรงไฟฟ้าสูงถึง 8 เท่าจากปกติ ภายหลัง ยังมีการประกาศสถานการณ์ฉุกเฉินอีกที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่สองที่อยู่ห่างออกไป 11 กิโลเมตรทางใต้ ซึ่งทำให้เครื่องปฏิกรณ์ที่ประสบปัญหาทั้งหมดเพิ่มขึ้นเป็นหกเครื่อง
มีรายงานว่า ไอโอดีนกัมมันตภาพรังสีถูกตรวจจับได้ในน้ำประปาในเขตจังหวัดฟูกูชิมะ โทจิงิ กุมมะ โตเกียว ชิบะ ไซตามะ และนีงาตะ และซีเซียมกัมมันตภาพรังสีในน้ำประปาในเขตจังหวัดฟูกูชิมะ โทจิงิ และกุมมะ ซีเซียม ไอโอดีนและสตรอนเชียมกัมมันตภาพรังสียังได้ถูกพบในดินบางพื้นที่ของฟูกูชิมะ นอกจากนี้ยังมีความจำเป็นต้องแทนที่ดินที่ปนเปื้อน ผลิตภัณฑ์อาหารยังถูกพบว่าปนเปื้อนจากสารกัมมันตภาพรังสีในหลายพื้นที่ของญี่ปุ่น วันที่ 5 เมษายน พ.ศ. 2554 รัฐบาลจังหวัดอิบารากิห้ามการประมงปลาแซนด์ เลซ (sand lace) หลังพบว่าปลาชนิดดังกล่าวปนเปื้อนซีเซียมกัมมันตภาพรังสีสูงกว่าระดับที่กฎหมายกำหนด จนถึงปลายเดือนกรกฎาคม เนื้อวัวปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสีถูกพบวางขายอยู่ที่ตลาดในกรุงโตเกียว
เกิดไฟไหม้ขึ้นในส่วนกังหันของโรงไฟฟ้านิวเคลียร์โอนางาวะหลังแผ่นดินไหว โดยเกิดขึ้นในอาคารอันเป็นที่ตั้งของกังหันที่ตั้งอยู่แยกจากเครื่องปฏิกรณ์ของโรงไฟฟ้า และถูกดับไปหลังจากนั้นไม่นาน โรงไฟฟ้าดังกล่าวถูกปิดลงเพื่อเป็นการระวังไว้ก่อน
วันที่ 13 มีนาคม มีการประกาศสถานการณ์ฉุกเฉินระดับต่ำสุด เกี่ยวกับโรงไฟฟ้าโอนางาวะ เมื่อค่ากัมมันตภาพรังสีชั่วคราวเกินระดับที่ได้รับอนุญาตในพื้นที่ตั้งโรงไฟฟ้า บริษัทผลิตไฟฟ้าโตเกียวแลถงว่า นี่อาจเป็นเพราะกัมมันตภาพรังสีจากอุบัติเหตุนิวเคลียร์ฟูกูชิมะแห่งที่หนึ่ง แต่ไม่ใช่จากโรงไฟฟ้าโอนางาวะเอง
อาฟเตอร์ช็อกเมื่อวันที่ 7 เมษายน ทำให้โรงงานแปรสภาพเชื้อเพลิงใช้แล้วรกกาโชะและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ฮิงาชิโดริสูญเสียพลังงานภายนอก แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองยังทำงานอยู่ โรงไฟฟ้านิวเคลียร์โอนางาวะเสียสายไฟฟ้าภายนอก 3 จาก 4 เส้น และเสียระบบหล่อเย็นเป็นเวลานานถึง 80 นาที มีน้ำปนเปื้อนกัมมันตภาพรังสีรั่วไหลสู่สิ่งแวดล้อมที่โอนางาวะเล็กน้อย
เครื่องปฏิกรณ์หมายเลข 2 ที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์โทไกถูกปิดลงอัตโนมัติ วันที่ 14 มีนาคม มีรรายงานว่าปั๊มระบบหล่อเย็นของเครื่องปฏิรณ์ดังกล่าวหยุดทำงาน อย่างไรก็ตาม บริษัทพลังงานอะตอมญี่ปุ่น แถลงว่า ยังมีปั๊มระบบประปาที่สองที่ยังรักษาระบบหล่อเย็นต่อไป แต่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลสองในสามเครื่องที่ให้พลังงานแก่ระบบหล่อเย็นใช้การไม่ได้