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東京電力は１５日、東日本巨大地震で被災した福島第一原子力発電所４号機（福島県）の原子炉建屋内にある使用済み核燃料を一時貯蔵するプール付近で、同日午前９時３８分頃に火災が発生、同日午前１０時２２分には毎時４００ミリ・シーベルト（４０万マイクロ・シーベルト）の放射線量を観測したと発表した。
同日午前１１時過ぎに記者会見した枝野官房長官は「身体に影響を及ぼす可能性があることは間違いない」と述べた。２号機では同日午前６時１４分に大きな爆発があり、原子炉格納容器の下部にある圧力抑制室の圧力が低下した。原子炉付近の相次ぐ破損で核燃料が損傷し、大量の放射性物質が漏れだした可能性がある。茨城、栃木両県や都内などで、ごく微量の放射性物質が検出されている。政府と東電は１５日、事故対策統合本部を設置。菅首相は同日午前１１時に記者会見し、同原発周辺の半径２０～３０キロ・メートル圏内の住民約１３万６０００人に対し、屋内退避を求めた。
東電などによると、原発周辺で同日午前１０時２２分に、高い放射線を観測した。２号機と３号機の間で、毎時３０ミリ・シーベルト（３万マイクロ・シーベルト）、３号機付近で同４００ミリ・シーベルト（４０万マイクロ・シーベルト）、４号機付近で、同１００ミリ・シーベルト（１０万マイクロ・シーベルト）で、枝野長官は「従来発表してきた『マイクロシーベルト』とは単位が違う。身体に影響を及ぼす可能性のある数値」と話した。
４００ミリ・シーベルトは、がんになる確率が高まる１００ミリ・シーベルトの４倍で、一般人が１年間に浴びていい放射線量（日常生活と医療目的を除く）の４００倍にあたる。
４号機の火災で、東電は福島県と国に通報するとともに、自衛隊と米軍に消火活動への協力を要請したが、同日午前１１時ごろ自然に鎮火したのが確認された。
東電によると、地震発生時に、４号機は定期検査で運転を停止していたが、使用済み核燃料一時貯蔵プールの冷却水を、循環させる電源を失っていた。燃料棒の余熱で、通常４０度程度の水温が８５度にまで上昇し、水位が低下していた。専門家は、「プールの水位低下でむき出しになった燃料の被覆管と蒸気が反応し、水素が発生して、爆発火災に至った」（京都大原子炉実験所の今中哲二助教）と分析する。
プールの中には、使用済み燃料棒７８３体が保管されていた。４号～６号機は定期検査中だったが、４号機の冷却機能が失われていた。使用済み核燃料は１～３号機にも約３００～５００体保管されている。
同原発の南約１００キロ・メートルにある茨城県東海村の東京大学の研究施設敷地内では午前７時４５分頃、原子力災害対策特別措置法の基準値に定められた毎時５マイクロ・シーベルトを超える放射線量を観測した。
東電によると、２号機で破損した圧力抑制室は、格納容器内の蒸気圧が高まった場合に、圧力を逃がして下げる機能を持つ。爆発によって、３気圧から１気圧に低下した。
２号機の原子炉内は１４日に著しい水位変動を繰り返して、燃料棒が２度にわたって完全に露出しており、一時的に空だき状態になっていたとみられる。
原子炉の水位は改善傾向にあるが、燃料棒は午前６時３０分現在、２・７メートル露出した状態になっている。格納容器本体の圧力は７・３気圧で変化していない。
圧力抑制室は放射性物質の混じった蒸気と水が入っており、原子炉建屋上部に生じたすき間から、放射能を帯びた蒸気が流れ出た懸念がある。
爆発直後には、同原発の敷地周辺の放射線量が毎時９６９・５マイクロ・シーベルトを記録したため、原子炉への注水作業に関係のない作業員らを退避させた。
同原発の正門前では同日午前１０時１５分、一般人が１年間に浴びてもいい放射線量の８倍を超える毎時８８３７マイクロ・シーベルトを観測した。
計６基の原子炉がある同原発は地震後、運転中の３基が自動停止し、１号機と３号機は水素爆発を起こして原子炉建屋が破損。１～３号機では原子炉内の核燃料棒が露出した。
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