3月11日的海嘯破壞了備用發電機，致使燃料棒開始出現扭曲、破裂，並至少部分融化，蒸汽與燃料棒的鋯材料防護層產生反應，產生了氫氣，引起了多次大規模爆炸事件。但是，根據日本東京電力公司的數據，一些研究者認為核反應堆內部的情況可能遠比部分融化更嚴重，一些人認為，熔融的核燃料可能已進入核反應堆的混凝土安全殼內，還有一些人則認為核燃料裡的核鏈式反應仍在繼續進行中。
最令人擔憂的證據來自於反應堆附近的一幢建築物旁。3月26日，日本核能與工業安全局報告了氯38的存在，一種半衰期只有37分鐘的放射性同位素，當氯37被裂變中子擊中時就會產生這種生存期很短的放射性同位素，有證據表明，反應堆內如果有足夠多的燃料聚在一起，就能夠重新啟動核反應，加利福尼亞州蒙特雷國際研究所的核物理學家費倫茨.達尼基-維萊斯告誡道，這可能會給參加清理行動的工作人員帶來極大的輻射暴露風險，並使現場清理工作的形勢變得更為嚴峻和複雜。
但英國薩里大學的核物理學家帕迪.里根對此持懷疑態度，他認為，其他一些放射性同位素也擁有相似的γ射線光譜，可能會被誤認為是氯38。事實上，在東京電力公司公布同位素碘134的含量高得驚人之後不久，又予以了否認，核電站未能提供明確的數據令達尼基-維萊斯感到沮喪。
其他一些理論還停留在探索性階段，紐約倫斯勒理工學院核工程技術榮譽退休教授理查德.雷希認為，2號反應堆用於停止核反應的控制棒可能已經融化，壓力讀數和高放射性都表明，熔融的燃油像熔岩樣流經控制棒系統，往核反應堆安全殼的下方滴落，如果這種情況已經發生，清理行動將變得更為困難。
瑞典斯德哥爾摩輻射安全局研究人員維克多.福雷德認為，控制棒上部可能已經融化，每當反應堆被注滿水時，核鏈式反應就有可能被重新啟動。福雷德和他的同事進行的模擬實驗已經表明，這樣的情況是可能發生的。但是福雷德接下來又補充道，許多數據都不可靠，因為很多信息丟失，有些信息則互相矛盾。
這種混亂情況不禁令人回想起1979年的美國賓夕法尼亞州三里島反應堆部分融化之後幾周內的情況，事故發生之後，關於反應堆堆芯內部狀況的辯論“持續進行了幾個月”，曾花了6年時間參與事故清理的核顧問傑克.迪瓦恩回憶道。
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