渦電流

渦電流とは、導体を貫く磁束が時間的に変化するとき、電磁誘導の法則に従って導体内部に誘導される閉じた環状の電流のことである。誘導加熱や金属探傷など広く産業的に利用される現象だが、核融合研究においては特に重要な意味を持つ。トカマクやステラレータなどの磁気閉じ込め装置は、プラズマ電流や外部コイルが作る強い磁場の中に、真空容器やシールドブロック、支持構造物といった巨大な導体を配置するからであり、これらの構造物に流れる渦電流は、装置の運転そのものと安全設計の両方を左右する要素となる。

基礎物理と表皮効果

渦電流の起源はファラデーの電磁誘導則にある。導体を貫く磁束が変化すれば、導体内部に起電力が生じ、電気抵抗の低い経路に沿って電流が閉ループを描いて流れる。この電流はレンツの法則に従い、もとの磁場変化を打ち消す向きの二次磁場を作る。図に示すように、交流コイルが作る一次磁場がタングステン板に作用すると、板の表面には渦電流が誘導され、その渦電流が二次磁場を発生してコイルのインピーダンスを変化させる。この相互作用こそ、後述する渦電流探傷の原理である。

渦電流の強さと分布を決めるのは、導体の電気伝導率、磁場の変化速度、そして表皮効果である。交流磁場では電磁拡散のために電流が導体表面の薄い層に集中し、その深さ（表皮深さ）は周波数の平方根に反比例して減少する。つまり周波数が高いほど渦電流は表面近くに集中し、表面近くの情報に敏感な測定が可能になる。一方で、厚い導体を薄板近似して数値計算すると、この表皮効果による電流の集中を正しく表現できず、計算誤差の主要な原因となることが実験的に確認されている。表皮効果が無視できない場合には、導体を二重殻としてモデル化するなどの工夫が必要であり、狭い隙間を含む形状ではメッシュ寸法を隙間幅の数分の一以下に取るなど、離散化の精度が計算の信頼性を直接左右する。

融合装置における渦電流：受動導体と真空容器

磁気閉じ込め装置の周囲には、真空容器、二重殻構造の導体殻、クライオスタット、超伝導コイルの構造材など、多数の導体が存在する。プラズマ電流の立ち上げや平衡磁場コイルの急速な通電、そして異常終了（ディスラプション）時の急速な電流消滅は、これらの構造物に大きな渦電流を誘導する。誘導された渦電流は、構造物の幾何形状、特にトロイダル方向の切れ目（ギャップ）や非軸対称な支持構造の影響を強く受ける。軸対称な導体殻でも電流は軸対称に流れるが、分割された殻では電流がギャップを回り込む三次元的な経路を取り、長寿命で非軸対称な電流パターンが生じる。