ジルコニウム火災
核燃料では、幅1センチメートル (cm) 前後、長さ4メートル (m) 前後のパイプ状の燃料被覆管に燃料ペレットが入れられており、これが一本の燃料棒を構成する。 被覆管には、連鎖反応を媒介する中性子の損失を防ぐため、中性子が透過しやすい(吸収断面積が小さい)ジルコニウムを主体とする特殊な合金(ジルカロイ)が用いられている。 通常は腐食耐性等に優れたこのジルコニウム被覆管(ジルカロイ被覆管)も、空気中におかれた状態でおよそセ氏900度 (°C) 以上の温度となると酸化反応が活発となる。 このときには酸素分子だけではなく、水蒸気がある環境ならば水分子中の酸素を奪う。 酸化で発生する熱は、条件によって核燃料の崩壊熱よりも大きくなり、冷却が十分でなければ被覆管を伝い、温度をさらに上昇させて自足的な暴走、すなわち、燃焼状態となる。 結果、被覆管は脆くなり変形して破損にいたる。
原子炉で用いられた後の使用済み燃料は、核分裂生成物中の多量の放射性核種により強い放射線と崩壊熱を継続して放出しており、少なくとも数年の間、原子炉に隣接する使用済み燃料プール(使用済燃料貯蔵プール、以下、プール)で冷却される。 使用済み燃料は、燃料棒が集まった柱状の燃料集合体を単位としてラックに入れられプールに沈められており、通常の状態ではラック頂部の上に7–8メートル (m) の厚い水が覆っている。 このプールの水は、動力を用い水位と温度が維持され、使用済み燃料からの放射線と崩壊熱による温度上昇とを防ぐという多重の役割を担っている。
事故当時、4号機は原子炉が停止して102日目であり、炉内のシュラウド交換工事のため炉内にあった熱い燃料がすべてプールに移され、使用済み燃料の本数自体も他のプールより多くなっていた。 このため、他のプールの3倍以上の2メガワット (MW) を超える崩壊熱があり、 冷却が停止したままならば水位の低下は深刻なものとなり得た。 危機が見込まれる一方で、原子炉の対応に追われたことによる原発での人員不足等から、プールの状況の調査は後回しとされた。 4号機プールに関しても、情報はほとんどもたらされず、事故後には2度の温度データがあるのみだった。 3月14日午前4時頃(日本時間、以下特に記載なきものは同じ)の測定では、温度が沸騰間際のセ氏84度 (°C) に達していた。
3月15日午前6時14分、4号機で水素爆発が発生して建屋の屋根と壁が失われ、このことは保安院をはじめ規制機関に特に極度の緊張をもたらした。 炉に燃料のない4号機で起きたこの爆発の水素の起源が明らかではなかったため、保安院や米NRC、その他多くの専門家は、予想より早くすでにプールの水が失われており、ジルコニウムと水蒸気の反応が発生しているのだと結論した。 3月15日、東電本店内に統合対策本部を設置した政府は、この日プールへの注水を命じる措置命令を出し、東電もプールの状況判断と対策の優先度を上げた。 事故の早い時期から特に4号機プールにおける冷却材喪失を懸念していた米NRCも、 グレゴリー・ヤツコ委員長が、3月16日(ワシントン時間)、議会公聴会で「原子炉建屋は破壊されており、使用済み燃料プールの水はなくなっていると考えている」との見解を示した。
計算上の推定と異なり、結果として、4号機プールの水位は維持されジルコニウム火災の危機は回避された。 しかし、それは事故対応とは関係のない原子炉ウェルからの水の流入によるものであったことが後に判明した。 原子炉ウェルは原子炉圧力容器の直上の窪みで、隣接する蒸気乾燥器・気水分離器仮置きピット(D/Sピット)とともに、核燃料の移送時などに水が満たされる。 原子炉ウェルとプールとの間の燃料移送は、2重のゲートが備えられた狭い水路を通して水中で行われる。 原子炉内のシュラウド取替作業を行った4号機は、事故当時、これら原子炉ウェルとD/Sピットにまだ水が張られたままとなっていた。 プールの水位の低下による水圧差で、原子炉ウェルの水がゲートに生じた隙間からプールに流入したものと推定され、これによって4号機プールの水位は推定よりも高く維持され燃料露出を免れた。 原子炉ウェルに水が残っていたのは、シュラウド切断が予定通り進まず工期が遅れたためで、本来は地震4日前の3月7日までに水が抜かれる予定だった。
4号機プールの危機がどこまで迫っていたかは、その後の事故状況の再構築によって明らかにされた。 2012年、サンディア国立研究所が行ったシミュレーションは、プールへの水の流入も注水もなければ、3月下旬に水位は燃料を露出させるまで低下し、その後、数日のうちに大規模なジルコニウム火災を生じていたであろうことを示している。 米アカデミーは、福島第一原発事故の教訓を検討した2編からなる報告書を議会に提出したが、その第2部 (Shepherd et al.