Одна частина вакуумної ємності (матеріал, що облицьовує плазму) термоядерного експериментального пристрою та майбутнього термоядерного реактора контактує з плазмою.Коли іони плазми потрапляють у матеріал, ці частинки перетворюються на нейтральний атом і залишаються всередині матеріалу.Якщо дивитися з атомів, що складають матеріал, іони плазми, які увійшли, стають атомами домішок.Атоми домішок повільно мігрують у проміжках між атомами, що складають матеріал, і зрештою вони дифундують усередині матеріалу.З іншого боку, деякі атоми домішок повертаються на поверхню і знову викидаються в плазму.Для стабільного утримання термоядерної плазми надзвичайно важливим стає баланс між проникненням іонів плазми в матеріал і повторним викидом атомів домішок після міграції зсередини матеріалу.

Шлях міграції атомів домішки всередині матеріалів з ідеальною кристалічною структурою був добре з'ясований у багатьох дослідженнях.Однак фактичні матеріали мають полікристалічні структури, і тоді шляхи міграції в зернограничних областях ще не з'ясовані.Крім того, у матеріалі, який постійно торкається плазми, кристалічна структура порушується через надмірне вторгнення іонів плазми.Шляхи міграції атомів домішки всередині матеріалу з невпорядкованою кристалічною структурою не були достатньо вивчені.

Дослідницькій групі професора Ацуші Іто з Національного інституту природничих наук NIFS вдалося розробити метод автоматичного та швидкого пошуку щодо шляхів міграції в матеріалах із довільною геометрією атомів за допомогою молекулярної динаміки та паралельних обчислень у суперкомп’ютері.По-перше, вони вилучають велику кількість малих доменів, які охоплюють весь матеріал.

Усередині кожного невеликого домену вони обчислюють шляхи міграції домішкових атомів за допомогою молекулярної динаміки.Ці розрахунки малих доменів будуть завершені за короткий час, оскільки розмір домену невеликий, а кількість атомів, які потрібно обробити, невелика.Оскільки обчислення в кожній невеликій області можна проводити незалежно, обчислення виконуються паралельно за допомогою суперкомп’ютера NIFS, симулятора плазми та суперкомп’ютерної системи HELIOS у Центрі обчислювального моделювання Міжнародного дослідницького центру термоядерної енергії (IFERC-CSC), Аоморі, Японія.Оскільки в Plasma Simulator можна використовувати 70 000 ядер ЦП, можна виконувати одночасні обчислення в 70 000 доменах.Об’єднуючи всі результати розрахунків з малих доменів, отримують шляхи міграції по всьому матеріалу.

Такий метод розпаралелення суперкомп’ютера відрізняється від того, який часто використовується, і називається розпаралелюванням типу MPMD3).У NIFS був запропонований метод моделювання, який ефективно використовує розпаралелювання типу MPMD.Поєднавши паралелізацію з останніми ідеями щодо автоматизації, вони прийшли до високошвидкісного автоматичного методу пошуку для шляху міграції.

Використовуючи цей метод, стає можливим легко шукати на шляху міграції домішкових атомів фактичні матеріали, які мають межі кристалічних зерен, або навіть матеріали, кристалічна структура яких стає невпорядкованою через тривалий контакт із плазмою.Досліджуючи поведінку колективної міграції атомів домішок усередині матеріалу на основі інформації щодо цього шляху міграції, ми можемо поглибити наші знання щодо балансу частинок усередині плазми та матеріалу.Таким чином, очікується покращення утримання плазми.

Ці результати були представлені в травні 2016 року на 22-й Міжнародній конференції з взаємодії поверхні плазми (PSI 22) і будуть опубліковані в журналі Nuclear Materials and Energy.