핵융합실험장치와 미래 핵융합로의 진공용기(플라즈마 대향재료)의 일부는 플라즈마와 접촉하게 된다.플라즈마 이온이 재료에 들어가면 해당 입자는 중성 원자가 되어 재료 내부에 유지됩니다.물질을 구성하는 원자로 보면, 들어간 플라즈마 이온은 불순물 원자가 됩니다.불순물 원자는 물질을 구성하는 원자 사이의 공간을 통해 천천히 이동하다가 결국 물질 내부로 확산됩니다.반면, 일부 불순물 원자는 표면으로 되돌아왔다가 다시 플라즈마로 방출됩니다.융합 플라즈마를 안정적으로 가두기 위해서는 플라즈마 이온이 재료 안으로 침투하는 것과 재료 내부에서 이동한 후 불순물 원자가 재방출되는 것 사이의 균형이 매우 중요합니다.

이상적인 결정 구조를 갖는 물질 내부의 불순물 원자의 이동 경로는 많은 연구에서 잘 밝혀졌습니다.그러나 실제 재료는 다결정 구조를 갖고 있어 결정입계 영역의 이동 경로가 아직 명확하지 않았습니다.또한, 플라즈마와 지속적으로 접촉하는 물질에서는 플라즈마 이온의 과도한 침입으로 인해 결정구조가 깨지게 된다.무질서한 결정 구조를 갖는 물질 내부의 불순물 원자의 이동 경로는 충분히 조사되지 않았습니다.

국립자연과학원(NIFS) 이토 아츠시(Atsushi Ito) 교수 연구팀이 슈퍼컴퓨터의 분자동역학 및 병렬 계산을 통해 임의의 원자 기하학을 갖는 물질의 이동 경로를 자동으로 신속하게 탐색하는 방법을 개발하는 데 성공했다.첫째, 그들은 전체 자료를 포괄하는 수많은 작은 도메인을 꺼냅니다.

각각의 작은 영역 내부에서는 분자 역학을 통해 불순물 원자의 이동 경로를 계산합니다.작은 도메인의 계산은 도메인의 크기가 작고 처리할 원자의 수가 많지 않기 때문에 짧은 시간에 완료됩니다.각 작은 영역의 계산은 독립적으로 수행될 수 있기 때문에 아오모리 국제 핵융합 에너지 연구 센터(IFERC-CSC) 전산 시뮬레이션 센터에서는 NIFS 슈퍼컴퓨터, 플라즈마 시뮬레이터 및 HELIOS 슈퍼컴퓨터 시스템을 사용하여 병렬로 계산을 수행합니다. 일본.플라즈마 시뮬레이터에서는 70,000개의 CPU 코어를 사용할 수 있기 때문에 70,000개 이상의 도메인에 대한 동시 계산이 가능합니다.작은 영역의 모든 계산 결과를 결합하여 전체 재료에 대한 이동 경로를 얻습니다.

이러한 슈퍼컴퓨터의 병렬화 방식은 흔히 사용되는 병렬화 방식과 다르며, 이를 MPMD3)형 병렬화라고 한다.NIFS에서는 MPMD형 병렬화를 효과적으로 활용하는 시뮬레이션 방법이 제안되었습니다.자동화에 관한 최근 아이디어와 병렬화를 결합하여 마이그레이션 경로에 대한 고속 자동 검색 방법에 도달했습니다.

이 방법을 활용하면 결정입계를 갖는 실제 물질이나 플라즈마와 장기간 접촉하여 결정구조가 흐트러지는 물질에 대해서도 불순물 원자의 이동경로를 쉽게 탐색할 수 있게 된다.이 이동 경로에 관한 정보를 기반으로 물질 내부의 불순물 원자의 집단 이동 동작을 조사하면 플라즈마와 물질 내부의 입자 균형에 대한 지식을 심화할 수 있습니다.따라서 플라즈마 봉쇄의 개선이 예상됩니다.

이 결과는 2016년 5월 제22회 플라즈마 표면 상호작용에 관한 국제 컨퍼런스(PSI 22)에서 발표되었으며, Nuclear Materials and Energy 저널에 게재될 예정입니다.