Une partie de l'enceinte à vide (le matériau faisant face au plasma) du dispositif expérimental de fusion et du futur réacteur de fusion entre en contact avec le plasma. Lorsque les ions plasma pénètrent dans le matériau, ces particules deviennent un atome neutre et restent à l’intérieur du matériau. Vus des atomes qui composent le matériau, les ions du plasma qui y sont entrés deviennent des atomes d'impuretés. Les atomes d'impuretés migrent lentement dans les espaces intermédiaires entre les atomes qui composent le matériau et finissent par diffuser à l'intérieur du matériau. En revanche, certains atomes d’impuretés remontent à la surface et sont à nouveau émis vers le plasma. Pour le confinement stable du plasma de fusion, l’équilibre entre la pénétration des ions du plasma dans le matériau et la réémission des atomes d’impuretés après migration depuis l’intérieur du matériau devient extrêmement important.

Le chemin de migration des atomes d’impuretés à l’intérieur de matériaux présentant une structure cristalline idéale a été bien élucidé dans de nombreuses recherches. Cependant, les matériaux réels ont des structures polycristallines et les chemins de migration dans les régions limites des grains n'ont pas encore été clarifiés. De plus, dans un matériau qui touche continuellement le plasma, la structure cristalline est brisée en raison de l’incursion excessive d’ions plasma. Les chemins de migration des atomes d’impuretés à l’intérieur d’un matériau à structure cristalline désordonnée n’avaient pas été suffisamment étudiés.

Le groupe de recherche du professeur Atsushi Ito, de l'Institut national des sciences naturelles NIFS, a réussi à développer une méthode de recherche automatique et rapide des chemins de migration dans des matériaux ayant une géométrie atomique arbitraire grâce à la dynamique moléculaire et aux calculs parallèles dans un superordinateur. Premièrement, ils suppriment un grand nombre de petits domaines qui couvrent l’intégralité du matériel.

À l’intérieur de chaque petit domaine, ils calculent les chemins de migration des atomes d’impuretés grâce à la dynamique moléculaire. Ces calculs de petits domaines seront terminés dans un court laps de temps car la taille du domaine est petite et le nombre d'atomes à traiter n'est pas grand. Étant donné que les calculs dans chaque petit domaine peuvent être effectués indépendamment, les calculs sont effectués en parallèle à l'aide du supercalculateur NIFS, du simulateur de plasma et du système de supercalculateur HELIOS du Centre de simulation informatique du Centre international de recherche sur l'énergie de fusion (IFERC-CSC), à Aomori, Japon. Sur le simulateur Plasma, comme il est possible d'utiliser 70 000 cœurs de processeur, des calculs simultanés sur 70 000 domaines peuvent être effectués. En combinant tous les résultats de calcul des petits domaines, les chemins de migration sur l'ensemble du matériau sont obtenus.

Une telle méthode de parallélisation du superordinateur diffère de celle souvent utilisée et est appelée parallélisation de type MPMD3). Au NIFS, une méthode de simulation utilisant efficacement la parallélisation de type MPMD avait été proposée. En combinant la parallélisation avec des idées récentes en matière d'automatisation, ils sont parvenus à une méthode de recherche automatique à grande vitesse pour le chemin de migration.

En utilisant cette méthode, il devient possible de rechercher facilement le chemin de migration des atomes d'impuretés pour des matériaux réels qui ont des limites de grains cristallins ou même des matériaux dont la structure cristalline devient désordonnée par un contact de longue durée avec le plasma. En étudiant le comportement de la migration collective des atomes d'impuretés à l'intérieur du matériau, sur la base des informations concernant ce chemin de migration, nous pouvons approfondir nos connaissances sur l'équilibre des particules à l'intérieur du plasma et du matériau. Des améliorations du confinement du plasma sont donc attendues.

Ces résultats ont été présentés en mai 2016 lors de la 22e Conférence internationale sur l'interaction plasma-surface (PSI 22) et seront publiés dans la revue Nuclear Materials and Energy.