Een deel van het vacuümvat (het naar het plasma gerichte materiaal) van het fusie-experimentele apparaat en de toekomstige fusiereactor komt in contact met plasma. Wanneer de plasma-ionen het materiaal binnendringen, die deeltjes worden een neutraal atoom en blijven in het materiaal. Gezien vanaf de atomen waaruit het materiaal bestaat, de plasma-ionen die binnenkwamen, worden onzuivere atomen. De onzuiverheidsatomen migreren langzaam in tussenruimten tussen de atomen waaruit het materiaal bestaat en uiteindelijk, ze diffunderen in het materiaal. Anderzijds, sommige onzuivere atomen keren terug naar het oppervlak en worden opnieuw uitgezonden naar het plasma. Voor de stabiele opsluiting van fusieplasma, het evenwicht tussen de penetratie van plasma-ionen in het materiaal en de heremissie van onzuivere atomen na migratie vanuit het materiaal wordt uiterst belangrijk.

Het migratiepad van onzuivere atomen in materialen met een ideale kristalstructuur is in veel onderzoek goed opgehelderd. Echter, werkelijke materialen hebben polykristallijne structuren, en dan waren migratiepaden in korrelgrensgebieden nog niet opgehelderd. Verder, in een materiaal dat continu in aanraking komt met plasma, de kristalstructuur wordt verbroken door de overmatige inval van plasma-ionen. De migratiepaden van onzuivere atomen in een materiaal met een ongeordende kristalstructuur waren niet voldoende onderzocht.

De onderzoeksgroep van professor Atsushi Ito, van de nationale instituten voor natuurwetenschappen NIFS, is erin geslaagd een methode te ontwikkelen voor automatisch en snel zoeken naar migratiepaden in materialen met willekeurige atoomgeometrie door middel van moleculaire dynamica en parallelle berekeningen in een supercomputer. Eerst, ze nemen een groot aantal kleine domeinen weg die het hele materiaal beslaan.

Binnen elk klein domein berekenen ze de migratiepaden van onzuivere atomen door middel van moleculaire dynamica. Die berekeningen van kleine domeinen zullen in korte tijd klaar zijn omdat de grootte van het domein klein is en het aantal te behandelen atomen niet veel is. Omdat de berekeningen in elk klein domein onafhankelijk kunnen worden uitgevoerd, berekeningen worden parallel uitgevoerd met behulp van de NIFS-supercomputer, de plasmasimulator, en het HELIOS-supercomputersysteem van het Computational Simulation Center van het International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC), Aomori, Japan. Op de plasmasimulator, omdat het mogelijk is om 70 te gebruiken, 000 CPU-kernen, gelijktijdige berekeningen over 70, 000 domeinen kunnen worden uitgevoerd. Door alle berekeningsresultaten van de kleine domeinen te combineren, de migratiepaden over het hele materiaal worden verkregen.

Een dergelijke parallellisatiemethode van een supercomputer verschilt van de methode die vaak wordt gebruikt, en wordt parallellisatie van het MPMD3)-type genoemd. Bij NIFS, er was een simulatiemethode voorgesteld die effectief gebruikmaakt van parallellisatie van het MPMD-type. Door de parallellisatie te combineren met recente ideeën over automatisering, ze zijn tot een snelle automatische zoekmethode voor het migratiepad gekomen.

Door deze methode te gebruiken, het wordt mogelijk om gemakkelijk het migratiepad van onzuiverheidsatomen te doorzoeken op werkelijke materialen met kristalkorrelgrenzen of zelfs materialen waarvan de kristalstructuur verstoord raakt door langdurig contact met plasma. Onderzoek naar het gedrag van collectieve migratie van onzuivere atomen in materiaal op basis van informatie over dit migratiepad, we kunnen onze kennis verdiepen over de deeltjesbalans in het plasma en het materiaal. Er worden dus verbeteringen in plasma-opsluiting verwacht.

Deze resultaten werden in mei 2016 gepresenteerd op de 22e Internationale Conferentie over Plasma Surface Interaction (PSI 22), en zal worden gepubliceerd in het tijdschrift Nucleaire materialen en energie .