Ένα μέρος του δοχείου κενού (το υλικό που βλέπει στο πλάσμα) της πειραματικής συσκευής σύντηξης και του μελλοντικού αντιδραστήρα σύντηξης έρχεται σε επαφή με το πλάσμα. Όταν τα ιόντα του πλάσματος εισέρχονται στο υλικό, αυτά τα σωματίδια γίνονται ένα ουδέτερο άτομο και παραμένουν μέσα στο υλικό. Αν φαίνονται από τα άτομα που συνθέτουν το υλικό, τα ιόντα πλάσματος που εισήλθαν γίνονται άτομα ακαθαρσίας. Τα άτομα ακαθαρσίας μεταναστεύουν αργά σε ενδιάμεσους χώρους μεταξύ των ατόμων που συνθέτουν το υλικό και τελικά, διαχέονται μέσα στο υλικό. Από την άλλη πλευρά, ορισμένα άτομα ακαθαρσίας επιστρέφουν στην επιφάνεια και εκπέμπονται ξανά στο πλάσμα. Για τον σταθερό περιορισμό του πλάσματος σύντηξης, η ισορροπία μεταξύ της διείσδυσης των ιόντων του πλάσματος στο υλικό και της επανεκπομπής ατόμων ακαθαρσίας μετά τη μετανάστευση από το εσωτερικό του υλικού γίνεται εξαιρετικά σημαντική.

Η διαδρομή μετανάστευσης των ατόμων ακαθαρσίας μέσα σε υλικά με ιδανική κρυσταλλική δομή έχει αποσαφηνιστεί καλά σε πολλές έρευνες. Ωστόσο, τα πραγματικά υλικά έχουν πολυκρυσταλλικές δομές και, στη συνέχεια, οι διαδρομές μετανάστευσης στις οριακές περιοχές των κόκκων δεν είχαν ακόμη διευκρινιστεί. Επιπλέον, σε ένα υλικό που αγγίζει συνεχώς το πλάσμα, η κρυσταλλική δομή σπάει λόγω της υπερβολικής εισβολής ιόντων πλάσματος. Οι διαδρομές μετανάστευσης των ατόμων ακαθαρσίας μέσα σε ένα υλικό με διαταραγμένη κρυσταλλική δομή δεν είχαν εξεταστεί επαρκώς.

Η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Atsushi Ito, των Εθνικών Ινστιτούτων Φυσικών Επιστημών NIFS, πέτυχε να αναπτύξει μια μέθοδο αυτόματης και ταχείας αναζήτησης σχετικά με διαδρομές μετανάστευσης σε υλικά με αυθαίρετη γεωμετρία ατόμων μέσω μοριακής δυναμικής και παράλληλων υπολογισμών σε έναν υπερυπολογιστή. Πρώτον, αφαιρούν πολυάριθμους μικρούς τομείς που καλύπτουν ολόκληρο το υλικό.

Μέσα σε κάθε μικρό τομέα υπολογίζουν τις διαδρομές μετανάστευσης των ατόμων ακαθαρσίας μέσω της μοριακής δυναμικής. Αυτοί οι υπολογισμοί μικρών περιοχών θα ολοκληρωθούν σε σύντομο χρονικό διάστημα, επειδή το μέγεθος του τομέα είναι μικρό και ο αριθμός των ατόμων που πρέπει να αντιμετωπιστούν δεν είναι πολλά. Επειδή οι υπολογισμοί σε κάθε μικρό τομέα μπορούν να πραγματοποιηθούν ανεξάρτητα, οι υπολογισμοί εκτελούνται παράλληλα χρησιμοποιώντας τον υπερυπολογιστή NIFS, τον προσομοιωτή πλάσματος και το σύστημα υπερυπολογιστή HELIOS στο Υπολογιστικό Κέντρο Προσομοίωσης του Διεθνούς Κέντρου Έρευνας Ενέργειας Σύντηξης (IFERC-CSC), Aomori, Ιαπωνία. Στον προσομοιωτή Plasma, επειδή είναι δυνατή η χρήση 70.000 πυρήνων CPU, μπορούν να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονοι υπολογισμοί σε πάνω από 70.000 τομείς. Συνδυάζοντας όλα τα αποτελέσματα υπολογισμού από τους μικρούς τομείς, λαμβάνονται οι διαδρομές μετανάστευσης σε ολόκληρο το υλικό.

Μια τέτοια μέθοδος παραλληλοποίησης υπερυπολογιστή διαφέρει από αυτή που χρησιμοποιείται συχνά και ονομάζεται παραλληλισμός τύπου MPMD3). Στο NIFS, είχε προταθεί μια μέθοδος προσομοίωσης που χρησιμοποιεί αποτελεσματικά παραλληλοποίηση τύπου MPMD. Συνδυάζοντας την παραλληλοποίηση με πρόσφατες ιδέες σχετικά με την αυτοματοποίηση, κατέληξαν σε μια μέθοδο αυτόματης αναζήτησης υψηλής ταχύτητας για τη διαδρομή μετάβασης.

Με τη χρήση αυτής της μεθόδου, καθίσταται δυνατή η εύκολη αναζήτηση της διαδρομής μετανάστευσης των ατόμων ακαθαρσίας για πραγματικά υλικά που έχουν όρια κρυσταλλικών κόκκων ή ακόμη και υλικά των οποίων η κρυσταλλική δομή διαταράσσεται λόγω μακράς διάρκειας επαφής με το πλάσμα. Διερευνώντας τη συμπεριφορά της συλλογικής μετανάστευσης ατόμων ακαθαρσίας μέσα στο υλικό με βάση πληροφορίες σχετικά με αυτή τη διαδρομή μετανάστευσης, μπορούμε να εμβαθύνουμε τις γνώσεις μας σχετικά με την ισορροπία σωματιδίων μέσα στο πλάσμα και το υλικό. Συνεπώς, αναμένονται βελτιώσεις στον περιορισμό του πλάσματος.

Αυτά τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν τον Μάιο του 2016 στο 22ο Διεθνές Συνέδριο για την Αλληλεπίδραση Επιφανειών Πλάσματος (PSI 22) και θα δημοσιευθούν στο περιοδικό Nuclear Materials and Energy.