อุบัติเหตุนิวเคลียร์เกาะทรีไมล์
อุบัติเหตุ > ผลที่ตามมาของวาล์วติด

ในขณะที่ความดันในระบบหลักยังคงลดลงต่อเนื่อง น้ำหล่อเย็นในเตาปฏิกรณ์ก็ยังคงไหลอยู่ แต่มันกำลังเดือดอยู่ภายในแกนกลาง ตอนแรกฟองอากาศขนาดเล็กของไอน้ำก่อตัวขึ้นและยุบตัวลงทันที เรียกว่าการเดือดแบบนิวเคลียร์ (อังกฤษ: nucleate boiling) เมื่อความดันของระบบลดลงต่อไป กระเป๋าไอน้ำเริ่มก่อตัวในน้ำหล่อเย็นเตาปฏิกรณ์ 'การออกจากการเดือดแบบนิวเคลียร์' (DNB) ไปเป็นรูปแบบของ "การเดือดของฟิล์ม" (อังกฤษ: film boiling) นี้ทำให้เกิด'การโมฆะของไอน้ำ' (อังกฤษ: steam voids) ในช่องน้ำหล่อเย็น ที่ปิดกั้นการไหลของน้ำหล่อเย็นและเพิ่มอุณหภูมิของเปลือกหุ้มเชื้อเพลิงอย่างมหาศาล ระดับน้ำโดยรวมภายในตัว pressurizer กำลังสูงขึ้น แม้จะมีการสูญเสียของน้ำหล่อเย็นที่ไหลผ่านวาล์วระบายนำร่องที่เปิดค้างอยู่ เนื่องจากปริมาณของโมฆะไอน้ำเหล่านี้เพิ่มมากขึ้นอย่างรวดเร็วมากกว่าน้ำหล่อเย็นที่สูญเสียไป เพราะขาดเครื่องมือที่ใช้เฉพาะการวัดระดับของน้ำในแกนกลาง ผู้ควบคุมเครื่องตัดสินระดับของน้ำในแกนกลางด้วยระดับในตัว pressurizer แต่เพียงอย่างเดียว พอเห็นว่าระดับมันสูง พวกเขาจึงคิดว่าแกนกลางถูกปกคลุมด้วยน้ำหล่อเย็นอย่างถูกต้องแล้ว ไม่ได้ระแวงเลยว่าเป็นเพราะไอน้ำก่อตัวขึ้นในอ่างเครื่องปฏิกรณ์ ไฟบอกสถานะทำให้เข้าใจผิด การบอกสถานะว่าน้ำมีระดับสูงมีส่วนทำให้เกิดความสับสน เนื่องจากผู้ควบคุมเครื่องมีความกังวลเกี่ยวกับวงรอบน้ำหลัก "จะกลายเป็นของแข็ง" (คือไม่มีกระเป๋าไอน้ำเป็นบัฟเฟอร์อยู่ในตัว pressurizer) ซึ่งในระหว่างการฝึกอบรม พวกเขาได้รับคำสั่งที่จะไม่อนุญาตให้เกิดขึ้น ความสับสนนี้เป็นสาเหตุที่สำคัญของความล้มเหลวแต่แรกในการรับรู้ถึงอุบัติเหตุว่าเกิดจากความสูญเสียของน้ำหล่อเย็น (อังกฤษ: loss-of-coolant accident) และนำผู้ควบคุมเครื่องไปสู่การปิดปั๊มระบายความร้อนหลักฉุกเฉิน ซึ่งได้ถูกสตาร์ตเครื่องโดยอัตโนมัติหลังจากที่วาล์วระบายนำร่องติดขัดและเปิดค้างและเริ่มต้นสูญเสียน้ำหล่อเย็น เนื่องจากกลัวว่าระบบจะถูกเติมด้วยน้ำจนล้น
ด้วยวาล์วระบายนำร่องยังคงเปิดอยู่ ถังระบายของตัวสร้างความดัน (อังกฤษ: pressurizer) ที่ใช้เก็บรวบรวมสิ่งปล่อยออกจากวาล์วระบายนำร่องจะถูกเติมจนล้น มีผลทำให้บ่อกักเก็บของอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ (อังกฤษ: Containment building) เต็มและส่งสัญญาณเตือนภัยที่เวลา 04:11 ในตอนเช้า เสียงเตือนนี้ พร้อมกับอุณหภูมิที่สูงกว่าปกติในสายการปล่อยของวาล์วระบายนำร่องและการสูงขึ้นอย่างผิดปกติของอุณหภูมิและความกดดันของอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์เป็นข้อบ่งชี้ที่ชัดเจนว่ามีอุบัติเหตุจากการสูญเสียของน้ำหล่อเย็นเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง แต่ไฟบอกสถานะเหล่านี้ถูกละเลยแต่แรกโดยผู้ควบคุมเครื่อง เมื่อเวลา 04:15 ในตอนเช้า ไดอะแฟรมระบายของถังระบายในตัว pressurizer ก็แตก และน้ำหล่อเย็นที่มีกัมมันตรังสีก็เริ่มที่จะรั่วไหลออกมาเข้าไปในอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ทั่วไป น้ำหล่อเย็นที่มีกัมมันตรังสีนี้ถูกสูบจากบ่อกักเก็บในอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ไปยังอาคารเสริมที่อยู่นอกอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์หลัก จนกระทั่งปั๊มของบ่อเก็บกักหยุดการทำงานเมื่อเวลา 04:39 ในตอนเช้า
หลังจากผ่านไปเกือบ 80 นาทีของอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างช้า ๆ ปั๊มน้ำหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์หลักสี่เครื่องของวงน้ำหลักเริ่มที่จะเป็นโพรงอากาศ (อังกฤษ: cavitation) เนื่องจากการผสมกันของฟองไอน้ำกับน้ำ แทนที่จะเป็นน้ำอย่างเดียวที่ไหลผ่านพวกมันไป เครื่องสูบน้ำถูกปิดลง และก็เชื่อว่าการไหลเวียนโดยธรรมชาติจะทำให้น้ำยังคงหมุนเวียนต่อไป ไอน้ำที่อยู่ในระบบป้องกันไม่ให้น้ำไหลผ่านแกนกลางและเมื่อน้ำหยุดการไหลเวียน มันขะถูกแปลงให้เป็นไอน้ำในปริมาณที่เพิ่มขึ้น ประมาณ 130 นาทีหลังจากการทำงานที่ผิดพลาดครั้งแรก ด้านบนของแกนเครื่องปฏิกรณ์ได้เปิดออกและความร้อนเข้มข้นได้ทำให้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของไอน้ำในแกนเครื่องปฏิกรณ์กับปลอกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ที่เป็นสาร Zircaloy ได้ผลผลิตออกมาก๊าซเซอร์โคเนียมไดอ๊อกไซด์, ไฮโดรเจนและความร้อนเพิ่มขึ้น ปฏิกิริยานี้ได้ละลายปลอกหุ้มแท่งเชื้อเพลิงนิวเคลียร์และทำความเสียหายให้กับเม็ดเชื้อเพลิง ซึ่งได้ปล่อยไอโซโทปกัมมันตรังสีออกมาให้กับสารหล่อเย็นเตาปฏิกรณ์ และผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่เชื่อว่าได้ทำให้เกิดการระเบิดขนาดเล็กในอาคารคลุมเครื่องปฏิกรณ์ต่อมาในบ่ายวันนั้น
เมื่อเวลา 06:00 มีการเปลี่ยนกะในห้องควบคุม กลุ่มที่มาใหม่สังเกตเห็นว่าอุณหภูมิในท่อหางของวาล์วระบายนำร่องและถังที่ถืออยู่มีค่าสูงเกินไปและมีการใช้วาล์วสำรองที่เรียกว่า "วาล์วกั้น" เพื่อปิดการระบายของน้ำหล่อเย็นผ่านทางวาล์วระบายนำร่อง แต่ประมาณ 32,000 แกลลอน (120,000 ลิตร) ของน้ำหล่อเย็นได้รั่วไหลออกมาเรียบร้อยแล้วจากวงรอบน้ำหลัก การรั่วไหลยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่ง 165 นาทีหลังจากการเริ่มต้นของปัญหาที่มีการเตือนภัยรังสีเมื่อน้ำที่ปนเปื้อนไหลเข้าไปถึงเครื่องตรวจจับ โดยเวลานั้นระดับรังสีในน้ำหล่อเย็นหลักอยู่ที่ประมาณ 300 เท่าของระดับที่คาดไว้และโรงไฟฟ้ามีการปนเปื้อนอย่างจริงจัง