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在日本标准时间2011年3月11日14时46分，日本发生了9.0级大地震，震源深度约25公里(15英里)，震中位于仙台以东130公里(81英里)的海域，在东京东南约372公里。这次地震造成东北海岸四个核电厂的共11个反应堆自动停堆(女川核电厂1、2、3号机组；福岛第一核电厂1、2、3号机组：福岛第二核电厂l、2、3、4号机组和东海核电厂2号机组)。地震引发了海啸，海啸浪高超过福岛第一核电厂的厂址标高14米(45英尺)。此次地震和海啸对整个日本东北部造成了重创，约20000人死亡或失踪，成千上万的人流离失所，并对日本东北部沿海地区的基础设施和工业造成了巨大的破坏。
地震发生之前，福岛第一核电厂6台机组的中1、2、3号处于功率运行状态，4、5、6号机组在停堆检修。地震导致福岛第一核电厂所有的厂外供电丧失，三个正在运行的反应堆自动停堆，应急柴油发电机按设计自动启动并处于运转状态。地震引起的第一波海啸浪潮在地震发生后46分钟抵达福岛第一核电厂。海啸冲破了福岛第一核电厂的防御设施，这些防御设施的原始设计能够抵御浪高5.7米的海啸，而当天袭击电厂的最大浪潮达到约14米。海啸浪潮深入到电厂内部，造成除一台应急柴油发电机之外的其它应急柴油发电机电源丧失，核电厂的直流供电系统也由于受水淹而遭受严重损坏，仅存的一些蓄电池最终也由于充电接口损坏而导致电力耗尽。第一核电厂丧失所有交、直流电丧失。
海啸及其夹带的大量废物对福岛第一核电厂现场的厂房、门、道路、储存罐和其它厂内基础设施造成重大破坏。现场操作员面临着电力供应中断、反应堆仪控系统失灵、厂内厂外的通讯系统受到严重影响等未预计到的灾难性情况，只能在黑暗中工作，局部位置变得人员不可到达。事故影响超出了电厂设计的范围，也超出了电厂严重事故管理指南所针对的工况。
由于丧失了把堆芯热量排到最终热阱的手段，福岛第一核电厂1、2、3号机组在堆芯余热的作用下迅速升温，锆金属包壳在高温下与水作用产生了大量氢气，随后引发了一系列爆炸：
2011年3月12日15:36，1号机组燃料厂房发生氢气爆炸；
2011年3月14日11:01，3号机组燃料厂房发生氢气爆炸；
2011年3月15日6:00，4号机组燃料厂房发生氢气爆炸。
爆炸对电厂造成进一步破坏，使操作员面临的情况更加严峻和危险，现场的抢险救灾工作愈加困难。现场操纵员采取的干预措施主要包括利用汽车电瓶、小型发电机和消防泵等，尝试部分恢复电源和供水，以读取电厂关键安全参数、实施反应堆冷却剂系统卸压、实施压力容器卸压、冷却反应堆堆芯和乏燃料水池。由于现场工作环境非常恶劣，许多抢险救灾工作往往以失败告终。现场淡水资源用尽后，东京电力公司分别于3月12日20:20、3月13日13:12、3月14日16:34陆续向1、3、2号机组堆芯注入海水，以阻止事态的进一步恶化。3月25日，福岛第一核电厂建立了淡水供应渠道，开始向所有反应堆和乏燃料池注入淡水。
福岛核事故对福岛核电厂以及周边的环境造成十分重要影响，事故的发展过程了电站各方考虑的范围，事故主要表现出来的特点有：
1.极端外部自然灾害导致事故发生。
2.地震及其引发的海啸造成福岛第一核电厂多机组、长时间的全厂完全断电和丧失最终热阱，超出了核电厂设计考虑的范围。
3.地震、海啸对核电厂及其周围基础设施造成了严重破坏，外部救援不能及时抵达，抢险救灾活动不能有效展开，导致事故不断升级。
4.主控室没有操控手段、没有电厂状态指示、核电厂局部位置不可到达，核电系统损伤状态超出了严重事故管理指南的覆盖范围。
5.在未预计的位置发生氢气爆炸现象，造成最后一道安全屏障的破坏。
6.大量放射性废水处理问题。在福岛核事故初期，为缓解事故后果，向其4台机组的反应堆、安全壳和乏燃料水池内注入了大量海水和淡水，虽控制了反应性、对燃料进行了有效冷却但随着放射性废液的泄漏、大量放射性废液的处理问题逐渐显现。
7.应急撤离区域问题。福岛核事故的应急撤离范围是周围20公里，超出预期。
在核事故发生以后由于福岛核电厂1、2、3号机组压力容器失效，放射性气体向大气环境释放。直至2011年4月12日，日本原子能安全委员会（NuclearSafetyCommission，NSC）估计从2011年3月11日至4月5日期间福岛第一核电厂总的大气释放量：碘-131为1.5×10Bq，铯-137为1.5×10Bq。2012年5月24日，福岛核电站所有者东京电力集团公布福岛核事故所释出的辐射量。从2011年3月12日至31日估计总共有5×10Bq碘-131、1×10Bq铯-134与1×10Bq铯-137释入大气层；从2011年4月到2011年年底所释出的辐射剂量是3月份的1%。从2011年3月26日至9月30日，共有18×10Bq的辐射剂量释入大海。共有1.1×10Bq碘-131、3.5×10Bq铯-134、3.6×10Bq铯-137释入大海。根据事故发生后向环境释放放射剂量。2011年8月24日本原子力安全保安院（NISA）将福岛核事故最终确定为核事故最高等级7级（特大事故）与1986年切尔诺贝利核电站事故同等级。
在事故发生当日，日本官方要求核电厂周围半径3km范围内的居民进行撤离。2011年3月20日当地核事故应急市局指挥中心总干事要求撤离距离福岛第一核电厂20km半径范围内的居民。从目前对居民的检测结果来看，日本政府采取的应急行动是及时和有效的，迄今为止福岛核事故没有对工作人员和周围居民造成不可接受的放射性照射，亦没有一例因为核事故导致的放射性照射死亡案例。
事故后，日本政府官员宣布，在东京与其它5个县府境内的18所净水厂侦测到碘-131超过婴孩安全限度。2011年7月，在320公里范围内，包括波菜、茶叶、牛奶、渔虾、牛肉在内，很多食物都侦测到放射性污染。2012年情况有所改善，包心菜、稻米、牛肉，没有检验发现显著放射性。东京的消费者安全认证并接收了一批福岛生产的稻米。
根据法国放射线防护与原子力安全研究所于2011年10月发表的报告，从3月21日至7月中期，事故大约造成27PBq铯-137释入大海约82%是在4月8日前释入大海。这是有史以来，观察到的最大量人造放射性物质释入大海。且由于福岛海岸附近海流较活跃，造成放射性物质大量弥散。从分析海水与海岸沉积物的测量数据，科学家认为，至2011年底为止，核事故造成的后果并不严重，海水放射性浓度很低微，沉积物放射性累积有限。
2013年2月，世界卫生组织发表报告显示福岛核事故造成的周边人口总癌症发病率预期不会出现显而易见的增加，但是某些特定族群可能会出现较高癌症发病率。例如，居住在浪江町与饭馆村的婴儿在核事故发生后第一年大约受到12至25毫希沃特有效剂量。因此，女婴得乳癌、甲状腺癌（thyroidcancer）等的相对概率分别会增加6%、70%，男婴得白血病的相对概率会增加7%。但由于这些疾病在当地绝对发病率很低，因此虽热相对发病率增加较大，但绝对发病率增加并不显著；例如，由于甲状腺癌的基线发病率很低（~0.75%），绝对发病率增加很少（~0.5%）。另外，参与核事故救难的紧急员工中，三分之一的员工罹患癌症的概率会增加。
2011年3月30日由于事故对核电厂造成巨大的影响日本官方宣布永久关闭福岛第一核电厂1、2、3、4号机组，并在后期工作过程中制定并修改了福岛第一核电厂未来40年的中长期退役路线。
2018年3月，日本会计审计署公布的检查结果显示，东京电力公司因福岛核事故支付的赔偿总额，包括临时预付补偿在内，截至2017年底，已达76821亿日元(约合人民币4619.95亿元)。其中，有从受理索赔到支付为止，超过5年达1847天的情况。在支付金额中，法人等最多，为33697亿日元，其后为个人赔偿数，达33661亿日元，团体为7933亿日元。检查结果显示，支付件数总计2792576件。
福岛核事故以后国际组织和各主要核电国家高度关注，纷纷采取响应行动，着手制定应对类似事故的对策。
国际原子能机构（IAEA）在事故发生第一时间启动事故应急中心，时刻密切关注事态发展。2011年5月，IAEA领导国际专家小组赴日本进行事件调查，并于6月编制了一份初步安全评价报告——《IAEA国际事实调查专家组针对日本东部大地震和海啸应发的福岛第一核电厂核事故调查报告》，并列出15个调查结论和16个经验教训。后期IAEA召开一系列会议针对福岛核事故的经验教训对核安全提出新的要求。
欧洲国家2011年3月23日欧盟委员会和西欧核监管协会（WesternEuropeanNuclearRegulatoryAssociation，WENRA）发表倡议，要求展开欧洲范围内的核电厂风险和安全评估（压力测试），并得到认可。欧洲核安全监管组织（ENSREG）在广泛、透明的基础上根据福岛后经验教训开展“压力测试”并于2012年6月提交最终报告。
法国在福岛核事故发生以后肯定了发展核能是保证能源独立的基本要素，并按照欧盟的标准和要求对境内所有核电厂进行压力测试。英国在事故发生以后对英国核电厂的抗震与抗洪水灾害能力进行审查，并对福岛核事故经验做出总结。德国在事故发生以后采取一系列的措施对核电厂进行安全检测，并加强事故预防措施，但由于国内压力德国政府于2011年6月30日宣布在2022年年底前逐步放弃德国核能发电。
美国在事故发生以后立即响应3月18日向各核电厂发布通告要求核电厂采取措施避免类似问题出现。并在后期加强核电厂安全监管，要求各核电厂评估其抵御外部灾害的能力并对不足之处采取措施。根据福岛核电厂事故经验要求各核电厂保证在长期超设计基准事故时的通讯。
中国在福岛核事故发生以后立即采取措施。在事故初期时立即关注事故动态，并对环境放射性进行实时监测，稳定国内恐慌情绪；2011年3月16日，国务院召开会议决定立即组织对我国核设施进行全面的安全检查，切实加强正在运行核设施的安全管理，全面审查在建核电厂，严格审批新上核电项目。从2011年3月开始至2011年8月，核安全检查团对所有在运行核电厂进行检查。重点检查：
（1）厂址选址过程中所评估的外部事件的适应性；
（2）核设施防洪预案和防洪能力评估；
（3）核设施抗震预案和抗震能力评估；
（4）核设施消防系统的检查；
（5）核设施质量保证的有效性；
（6）多种极端自然事件叠加事故的预防和缓解；
（7）全厂断电事故的分析评估以及失去应急电源后附加电源的可用情况及应急预案；
（8）严重事故预防和缓解措施及其可靠性评估；
（9）应对群体性事件预案；
（10）环境监测体系和应急体系有效性；
（11）其他可能存在的薄弱环节。
在安全检查的同时借鉴日本福岛核事故的经验对我国核设施相关不足提出改进要求，并在环境保护部组织下编制了《福岛核事故后核电厂改进行动通用技术要求》。
关于东京电力福岛第一核电站事故的灾民诉讼案中，福岛地方法院2017年10月10日作出判决，命令日本政府和东电向原告赔偿损失。
针对因东京电力公司（东电）福岛第一核电站事故主动到千叶县避难的19人提出的集体诉讼，千叶地方法院2019年3月14日作出判决，否认国家负有责任，驳回原告关于国家赔偿的要求。
2011年6月在维也纳召开的核安全部长级会议上，日本政府向IAEA提交了福岛核事故报告，将日本政府在此次核事故中的经验教训分为五类，主要有：
第一类教训严重事故的预防
1、加强抗地震和海啸的措施；
2、确保电力供应；
3、确保反应堆和安全壳可靠的冷却功能；
4、确保乏燃料池的可靠冷却功能；
5、全面的事故管理（AM）措施；
6、对多机组厂址的响应问题；
7、在基本设计中考虑核电站布置；
8、确保重要设备和设施的防水性。
第二类教训应对严重事故的对策
9、加强防止氢气爆炸的措施；
10、加强安全壳通风系统；
11、改善事故响应的环境；
12、加强在事故期间的辐射照射管理系统；
13、加强对严重事故响应的培训；
14、加强反应堆和安全壳的仪表；
15、集中控制应急装备和建立救援队。
第三类教训对核应急的响应
16、对重大自然灾害和核应急叠加情况的响应；
17、增强环境监测；
18、中央和地方组织职责的澄清和分配；
19、加强关于事故的交流；
20、加强对其他国家援助的响应和与国际团体的沟通；
21、准确的理解和预测释放的放射性物质的影响；
22、清晰定义大范围疏散的准则和核应急中放射学防护标准。
第四类教训加强安全基础建设
23、加强安全监管和管理体系；
24、建立和加强法律结构，标准和指导方针；
25、核安全和核应急准备与响应方面的人力资源；
26、确保安全系统的独立性和多样性；
27、在风险管理中有效地使用概率安全评价（PSA）。
第五类教训全面灌输安全文化
28、全面灌输安全文化。
福岛县在核事故后以县内所有儿童约38万人为对象实施了甲状腺检查。截至2018年2月，已诊断159人患癌，34人疑似患癌。其中被诊断为甲状腺癌并接受手术的84名福岛县内患者中，约一成的8人癌症复发，再次接受了手术。
