Unha parte do recipiente de baleiro (o material de plasma) do dispositivo experimental de fusión e do futuro reactor de fusión entra en contacto co plasma. Cando os ións do plasma entran no material, esas partículas convértense nun átomo neutro e quedan dentro do material. Se se ven desde os átomos que compoñen o material, os ións de plasma que entraron convértense en átomos de impureza. Os átomos de impurezas migran lentamente nos espazos entre os átomos que compoñen o material e, finalmente, difúndense no interior do material. Por outra banda, algúns átomos de impurezas volven á superficie e son emitidos de novo ao plasma. Para o confinamento estable do plasma de fusión, o equilibrio entre a penetración de ións de plasma no material e a reemisión de átomos de impurezas despois da migración desde o interior do material faise extremadamente importante.

O camiño de migración dos átomos de impurezas dentro de materiais cunha estrutura cristalina ideal foi ben dilucidado en moitas investigacións. Non obstante, os materiais reais teñen estruturas policristalinas, e entón as rutas de migración nas rexións de límite de grans aínda non foran aclaradas. Ademais, nun material que toca continuamente o plasma, a estrutura cristalina rómpese debido á excesiva incursión dos ións do plasma. Non se examinaron suficientemente as rutas de migración dos átomos de impurezas dentro dun material cunha estrutura cristalina desordenada.

O grupo de investigación do profesor Atsushi Ito, dos Institutos Nacionais de Ciencias Naturais NIFS, logrou desenvolver un método para a busca automática e rápida de camiños de migración en materiais con xeometría de átomos arbitraria mediante dinámica molecular e cálculos paralelos nun superordenador. En primeiro lugar, sacan un gran número de pequenos dominios que cobren todo o material.

Dentro de cada pequeno dominio calculan as rutas de migración dos átomos de impurezas a través da dinámica molecular. Eses cálculos de pequenos dominios remataranse en pouco tempo porque o tamaño do dominio é pequeno e o número de átomos a tratar non é moitos. Dado que os cálculos en cada pequeno dominio poden realizarse de forma independente, os cálculos realízanse en paralelo usando o superordenador NIFS, o Simulador de Plasma e o sistema de superordenador HELIOS no Centro de Simulación Computacional do Centro Internacional de Investigación de Enerxía de Fusión (IFERC-CSC), Aomori, Xapón. No Simulador de Plasma, como é posible usar 70.000 núcleos de CPU, pódense realizar cálculos simultáneos sobre 70.000 dominios. Combinando todos os resultados do cálculo dos pequenos dominios, obtéñense as rutas de migración sobre todo o material.

Este método de paralelización do supercomputador difire do que se usa a miúdo, e chámase paralelización de tipo MPMD3). En NIFS propúxose un método de simulación que utiliza de forma efectiva a paralelización de tipo MPMD. Ao combinar a paralelización con ideas recentes sobre a automatización, chegaron a un método de busca automática de alta velocidade para a ruta de migración.

Ao utilizar este método, faise posible buscar facilmente o camiño de migración dos átomos de impurezas para materiais reais que teñan límites de grans de cristal ou incluso materiais cuxos estruturas cristalinas se desordenan polo contacto de longa duración co plasma. Investigando o comportamento da migración colectiva de átomos de impurezas no interior do material a partir da información sobre este camiño de migración, podemos afondar no noso coñecemento sobre o balance de partículas no interior do plasma e do material. Así, prevén melloras no confinamento do plasma.

Estes resultados presentáronse en maio de 2016 na 22ª Conferencia Internacional sobre Interacción Superficial do Plasma (PSI 22), e publicaranse na revista Nuclear Materials and Energy.