Una parte del recipiente de vacío (el material de revestimiento del plasma) del dispositivo experimental de fusión y futuro reactor de fusión entra en contacto con el plasma. Cuando los iones del plasma entran en el material, esas partículas se convierten en un átomo neutro y permanecen dentro del material. Si se ve desde los átomos que componen el material, los iones del plasma que entraron se convierten en átomos de impurezas. Los átomos de impureza migran lentamente en los espacios intermedios entre los átomos que componen el material y, finalmente, se difunden dentro del material. Por otro lado, algunos átomos de impurezas regresan a la superficie y son nuevamente emitidos al plasma. Para el confinamiento estable del plasma de fusión, el equilibrio entre la penetración de los iones del plasma en el material y la reemisión de átomos de impurezas después de la migración desde el interior del material se vuelve extremadamente importante.

La ruta de migración de los átomos de impurezas dentro de materiales con estructura cristalina ideal ha sido bien aclarada en muchas investigaciones. Sin embargo, los materiales reales tienen estructuras policristalinas y las rutas de migración en las regiones límite de los granos aún no se han aclarado. Además, en un material que está en contacto continuo con plasma, la estructura cristalina se rompe debido a la incursión excesiva de iones de plasma. Las rutas de migración de los átomos de impurezas dentro de un material con una estructura cristalina desordenada no se habían examinado suficientemente.

El grupo de investigación del profesor Atsushi Ito, del Instituto Nacional de Ciencias Naturales NIFS, ha logrado desarrollar un método de búsqueda automática y rápida de rutas de migración en materiales con geometría atómica arbitraria mediante dinámica molecular y cálculos paralelos en una supercomputadora. Primero, eliminan una gran cantidad de pequeños dominios que cubren todo el material.

Dentro de cada pequeño dominio, calculan las rutas de migración de los átomos de impurezas mediante dinámica molecular. Esos cálculos de dominios pequeños se terminarán en poco tiempo porque el tamaño del dominio es pequeño y el número de átomos a tratar no es mucho. Debido a que los cálculos en cada pequeño dominio se pueden realizar de forma independiente, los cálculos se realizan en paralelo utilizando la supercomputadora NIFS, el Simulador de Plasma y el sistema de supercomputadora HELIOS en el Centro de Simulación Computacional del Centro Internacional de Investigación de Energía de Fusión (IFERC-CSC), Aomori, Japón. En Plasma Simulator, debido a que es posible utilizar 70.000 núcleos de CPU, se pueden realizar cálculos simultáneos en más de 70.000 dominios. Combinando todos los resultados de los cálculos de los dominios pequeños, se obtienen las rutas de migración en todo el material.

Este método de paralelización de supercomputadoras difiere del que se utiliza habitualmente y se denomina paralelización de tipo MPMD3). En NIFS se propuso un método de simulación que utiliza eficazmente la paralelización de tipo MPMD. Combinando la paralelización con ideas recientes sobre automatización, han llegado a un método de búsqueda automática de alta velocidad para la ruta de migración.

Al utilizar este método, es posible buscar fácilmente la ruta de migración de los átomos de impurezas en busca de materiales reales que tengan límites de granos cristalinos o incluso materiales cuya estructura cristalina se desordene por el contacto prolongado con el plasma. Al investigar el comportamiento de la migración colectiva de átomos de impurezas dentro del material en base a información sobre esta ruta de migración, podemos profundizar nuestro conocimiento sobre el equilibrio de partículas dentro del plasma y el material. Por tanto, se anticipan mejoras en el confinamiento del plasma.

Estos resultados se presentaron en mayo de 2016 en la 22ª Conferencia Internacional sobre Interacción con la Superficie del Plasma (PSI 22) y se publicarán en la revista Nuclear Materials and Energy.