En del af vakuumbeholderen (det plasmavendte materiale) i fusionsforsøgsanordningen og den fremtidige fusionsreaktor kommer i kontakt med plasma.Når plasmaionerne kommer ind i materialet, bliver disse partikler et neutralt atom og bliver inde i materialet.Hvis det ses fra atomerne, der udgør materialet, bliver de plasma-ioner, der trænger ind, til urenhedsatomer.Urenhedsatomerne migrerer langsomt i mellemrummene mellem de atomer, der udgør materialet, og til sidst diffunderer de inde i materialet.På den anden side vender nogle urenhedsatomer tilbage til overfladen og udsendes igen til plasmaet.For den stabile indeslutning af fusionsplasma bliver balancen mellem indtrængning af plasmaioner i materialet og re-emission af urenhedsatomer efter migration inde fra materialet ekstremt vigtig.

Migrationsvejen for urenhedsatomer inde i materialer med ideel krystalstruktur er blevet godt belyst i mange undersøgelser.Men faktiske materialer har polykrystallinske strukturer, og så var migrationsveje i korngrænseområder endnu ikke blevet afklaret.Yderligere, i et materiale, der kontinuerligt berører plasma, brydes krystalstrukturen på grund af overdreven indtrængen af ​​plasmaioner.Migrationsvejene for urenhedsatomer inde i et materiale med en uordnet krystalstruktur var ikke blevet tilstrækkeligt undersøgt.

Forskergruppen af ​​professor Atsushi Ito, fra National Institutes of Natural Sciences NIFS, er lykkedes med at udvikle en metode til automatisk og hurtig søgning vedrørende migrationsveje i materialer med vilkårlig atomgeometri gennem molekylær dynamik og parallelle beregninger i en supercomputer.For det første udtager de adskillige små domæner, der dækker hele materialet.

Inde i hvert lille domæne beregner de migrationsvejene for urenhedsatomer gennem molekylær dynamik.Disse beregninger af små domæner vil være færdige i løbet af kort tid, fordi størrelsen af ​​domænet er lille, og antallet af atomer, der skal behandles, ikke er mange.Fordi beregningerne i hvert lille domæne kan udføres uafhængigt, udføres beregninger parallelt ved hjælp af NIFS-supercomputeren, plasmasimulatoren og HELIOS-supercomputersystemet på Computational Simulation Center of International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC), Aomori, Japan.På Plasma Simulator, fordi det er muligt at bruge 70.000 CPU-kerner, kan der udføres samtidige beregninger over 70.000 domæner.Ved at kombinere alle beregningsresultaterne fra de små domæner opnås migrationsvejene over hele materialet.

En sådan paralleliseringsmetode af supercomputer adskiller sig fra den ofte brugte og kaldes MPMD3)-type parallelisering.På NIFS var en simuleringsmetode, der effektivt bruger MPMD-type parallelisering, blevet foreslået.Ved at kombinere paralleliseringen med nyere ideer vedrørende automatisering er de nået frem til en højhastigheds automatisk søgemetode for migrationsstien.

Ved at bruge denne metode bliver det muligt let at søge urenhedsatomernes migrationsvej efter faktiske materialer, der har krystalkorngrænser eller endda materialer, hvis krystalstruktur bliver uordnet ved langvarig kontakt med plasma.Ved at undersøge adfærden af ​​kollektiv migration af urenhedsatomer inde i materiale baseret på information om denne migrationsvej, kan vi uddybe vores viden om partikelbalancen inde i plasmaet og materialet.Der forventes således forbedringer i plasmaindeslutning.

Disse resultater blev præsenteret i maj 2016 på den 22. internationale konference om plasmaoverfladeinteraktion (PSI 22), og vil blive offentliggjort i tidsskriftet Nuclear Materials and Energy.