由于反应堆内发生熔毁的核燃料仍在发热，需要为冷却熔毁燃料注水。这些水接触核燃料后成为放射性污水，而用于储存污水的水罐已接近饱和。东京电力公司为此焦头烂额，如何处理流入核电站的地下水也让其感到棘手无比。
污水存放成难题
东京电力公司一直在回收反应堆建筑下的污水，在清除放射性铯和盐分之后，再次用于冷却，未用于冷却的水就贮藏在蓄水罐里。由于现在每天增加约４００吨污水，储存污水的１０００多个蓄水罐已接近饱和。核电站抽取的地下污水也要保存到蓄水罐中，但核电站内已经无处安置水罐。
罐中污水里的铯很难彻底清除，污水中还含有锶９０等释放β射线的物质。由于这些用螺栓铆接钢板制成的简易凸缘型水罐密封性不好，近几个月来不时出现泄漏。目前，东京电力公司准备改用焊接型水罐，但更换工作将花费时间。
东京电力公司准备增加设备，清除污水中除氚以外的放射物，每天处理污水能力最高达到７５０吨，在２０１５年３月前处理已有的约３４万吨污水和当天新产生的污水。不过，目前清除放射物的设备故障不断，新设备能否稳定运转也是未知数。
要想彻底解决问题，就要确定燃料熔毁的１至３号机组的破损位置并修补，防止冷却水泄漏。但由于高放射性导致作业难以开展，修补前景不明。
污水入海难解决
２０１１年４月，东京电力公司工作人员有意将福岛第一核电站的低放射性污水排入海中，以便腾出空间处理高放射性积水。该公司声称，２０１１年６月之后，没有新的放射性污水排入海洋。
但去年７月２２日，东京电力公司首次承认，福岛第一核电站附近被污染的地下水正向海中渗漏。此后，污水泄漏事件愈演愈烈。日本政府原子能灾害对策本部去年８月７日宣布，当时福岛第一核电站每天至少约有３００吨污水流入海中。
此后，从护岸附近的观测井中不断检测出高浓度放射物。今年１月，东京电力公司宣布从福岛第一核电站靠近大海一侧的观测井中，检测发现锶９０等放射物的浓度达到每升３１０万贝克勒尔，而去年９月开始观测时只有每升４０万贝克勒尔左右。
在核电站靠海的一侧，为防止受污染的地下水流入海中，东京电力公司正在用水泵抽取地下水。东京电力公司认为可能是抽水导致观测井所在区域的地下水减少，附近受污染的地下水流了过来，使井水中放射物浓度升高。但该公司目前依然没有弄清反应堆所在建筑和涡轮机房地下积存的高浓度污水的泄漏位置。
东京电力公司认为，污水是从反应堆所在建筑内与作业通道的连接处流入作业通道的，所以计划打入装有冷却材料的冷冻管，将周围的污染水冻住，建成“冰墙”，达到阻水效果。但是，如果污水是从反应堆建筑内直接向外泄漏，那么确定泄漏位置和采取防漏措施将非常困难。
地下水污染难处理
福岛第一核电站位于一段河岸台地上，属于倾斜度不大的丘陵地带。该丘陵海拔２７米至３５米，土质松软，海拔１０米至２７米之间存在常年有地下水涌出的含水层。福岛第一核电站就建在这一含水层上方。
每天，约有４００吨地下水流入反应堆所在建筑，使污水不断增加。去年７月８日，东京电力公司开始加固福岛第一核电站１号和２号机组的护岸地基，希望通过向地下注入“水玻璃”建造一堵防止地下污水通过的“土墙”。但随着“土墙”的建造，地下水水位随之上升，“土墙”完工后，地下水越过土墙顶部流入了海中。
为了解决地下水污染，不让污水进入核电站地下，日本政府和东京电力公司准备建设１．４公里长的“冻土挡水墙”，将１至４号机组包围起来，遏制流入反应堆所在建筑的地下水量。此外，东京电力公司还准备把福岛第一核电站院内用沥青覆盖，减少雨水渗入地下成为地下水。
但是，“冻土挡水墙”是隧道工程使用的施工方法，无长期使用的先例。即使实施，工期也需要２年，维持费用也极为庞大，是否能够保证长期效果很难预料。有专家指出，１．４公里长的冻土墙不可能完全冻结，肯定会有漏洞。
