Ein Teil des Vakuumgefäßes (das dem Plasma zugewandte Material) der Fusionsexperimentsvorrichtung und des zukünftigen Fusionsreaktors kommt mit Plasma in Kontakt. Wenn die Plasmaionen in das Material eindringen, werden diese Partikel zu neutralen Atomen und bleiben im Material. Von den Atomen aus betrachtet, aus denen das Material besteht, werden die eingedrungenen Plasmaionen zu Verunreinigungsatomen. Die Verunreinigungsatome wandern langsam in den Zwischenräumen zwischen den Atomen, aus denen das Material besteht, und diffundieren schließlich im Inneren des Materials. Andererseits kehren einige Verunreinigungsatome an die Oberfläche zurück und werden erneut an das Plasma abgegeben. Für den stabilen Einschluss von Fusionsplasma ist das Gleichgewicht zwischen dem Eindringen von Plasmaionen in das Material und der Wiederemission von Verunreinigungsatomen nach der Migration aus dem Inneren des Materials äußerst wichtig.

Der Migrationsweg von Verunreinigungsatomen innerhalb von Materialien mit idealer Kristallstruktur wurde in vielen Untersuchungen gut aufgeklärt. Tatsächliche Materialien weisen jedoch polykristalline Strukturen auf, und Migrationspfade in Korngrenzenbereichen waren noch nicht geklärt. Darüber hinaus wird in einem Material, das ständig mit Plasma in Berührung kommt, die Kristallstruktur aufgrund des übermäßigen Eindringens von Plasmaionen zerstört. Die Wanderungswege von Verunreinigungsatomen innerhalb eines Materials mit ungeordneter Kristallstruktur waren noch nicht ausreichend untersucht.

Der Forschungsgruppe von Professor Atsushi Ito vom National Institutes of Natural Sciences (NIFS) ist es gelungen, mithilfe von Molekulardynamik und parallelen Berechnungen in einem Supercomputer eine Methode zur automatischen und schnellen Suche nach Migrationspfaden in Materialien mit beliebiger Atomgeometrie zu entwickeln. Zunächst nehmen sie zahlreiche kleine Domänen heraus, die das gesamte Material abdecken.

Innerhalb jeder kleinen Domäne berechnen sie mithilfe der Molekulardynamik die Migrationspfade von Verunreinigungsatomen. Diese Berechnungen kleiner Domänen werden in kurzer Zeit abgeschlossen sein, da die Größe der Domäne klein und die Anzahl der zu behandelnden Atome nicht groß ist. Da die Berechnungen in jedem kleinen Bereich unabhängig durchgeführt werden können, werden die Berechnungen parallel mit dem NIFS-Supercomputer, dem Plasma-Simulator und dem HELIOS-Supercomputersystem im Computational Simulation Center des International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC) in Aomori durchgeführt. Japan. Da auf dem Plasma-Simulator 70.000 CPU-Kerne verwendet werden können, können gleichzeitige Berechnungen über 70.000 Domänen durchgeführt werden. Durch die Kombination aller Berechnungsergebnisse aus den kleinen Domänen erhält man die Migrationspfade über das gesamte Material.

Eine solche Parallelisierungsmethode von Supercomputern unterscheidet sich von der häufig verwendeten und wird als Parallelisierung vom MPMD3-Typ bezeichnet. Am NIFS wurde eine Simulationsmethode vorgeschlagen, die die Parallelisierung vom MPMD-Typ effektiv nutzt. Durch die Kombination der Parallelisierung mit neueren Ideen zur Automatisierung gelangten sie zu einer schnellen automatischen Suchmethode für den Migrationspfad.

Durch die Verwendung dieser Methode wird es möglich, den Migrationspfad von Verunreinigungsatomen auf einfache Weise nach tatsächlichen Materialien zu durchsuchen, die Kristallkorngrenzen aufweisen, oder sogar nach Materialien, deren Kristallstruktur durch lang anhaltenden Kontakt mit Plasma ungeordnet wird. Durch die Untersuchung des Verhaltens der kollektiven Migration von Verunreinigungsatomen im Material auf der Grundlage von Informationen über diesen Migrationspfad können wir unser Wissen über das Teilchengleichgewicht im Plasma und im Material vertiefen. Daher werden Verbesserungen beim Plasmaeinschluss erwartet.

Diese Ergebnisse wurden im Mai 2016 auf der 22. International Conference on Plasma Surface Interaction (PSI 22) vorgestellt und werden in der Zeitschrift Nuclear Materials and Energy veröffentlicht.