Una parte del recipiente a vuoto (il materiale rivolto verso il plasma) del dispositivo sperimentale di fusione e del futuro reattore a fusione entra in contatto con il plasma. Quando gli ioni del plasma entrano nel materiale, quelle particelle diventano un atomo neutro e rimangono all'interno del materiale. Se visti dagli atomi che compongono la materia, gli ioni del plasma entrati diventano atomi di impurità. Gli atomi di impurità migrano lentamente negli interspazi tra gli atomi che compongono il materiale e alla fine si diffondono all'interno del materiale. Alcuni atomi di impurità, invece, ritornano in superficie e vengono nuovamente emessi nel plasma. Per il confinamento stabile del plasma di fusione, l'equilibrio tra la penetrazione degli ioni del plasma nel materiale e la riemissione degli atomi di impurità dopo la migrazione dall'interno del materiale diventa estremamente importante.

Il percorso di migrazione degli atomi di impurità all'interno di materiali con struttura cristallina ideale è stato ben chiarito in molte ricerche. Tuttavia, i materiali attuali hanno strutture policristalline e quindi i percorsi di migrazione nelle regioni di confine dei grani non sono ancora stati chiariti. Inoltre, in un materiale che entra continuamente in contatto con il plasma, la struttura cristallina si rompe a causa dell'eccessiva incursione di ioni nel plasma. I percorsi di migrazione degli atomi di impurità all'interno di un materiale con una struttura cristallina disordinata non erano stati sufficientemente esaminati.

Il gruppo di ricerca del professor Atsushi Ito, dell'Istituto Nazionale di Scienze Naturali NIFS, è riuscito a sviluppare un metodo per la ricerca automatica e rapida dei percorsi di migrazione in materiali con geometria atomica arbitraria attraverso dinamica molecolare e calcoli paralleli in un supercomputer. Innanzitutto, eliminano numerosi piccoli domini che coprono l’intero materiale.

All'interno di ogni piccolo dominio calcolano i percorsi di migrazione degli atomi di impurità attraverso la dinamica molecolare. Questi calcoli dei piccoli domini verranno completati in breve tempo perché la dimensione del dominio è piccola e il numero di atomi da trattare non è molti. Poiché i calcoli in ciascun piccolo dominio possono essere condotti in modo indipendente, i calcoli vengono eseguiti in parallelo utilizzando il supercomputer NIFS, il simulatore di plasma e il sistema di supercomputer HELIOS presso il Centro di simulazione computazionale del Centro internazionale di ricerca sull'energia da fusione (IFERC-CSC), Aomori, Giappone. Sul Plasma Simulator, poiché è possibile utilizzare 70.000 core CPU, possono essere eseguiti calcoli simultanei su 70.000 domini. Combinando tutti i risultati dei calcoli dei piccoli domini, si ottengono i percorsi di migrazione sull'intero materiale.

Questo metodo di parallelizzazione del supercomputer differisce da quello spesso utilizzato e viene chiamato parallelizzazione di tipo MPMD3). Al NIFS è stato proposto un metodo di simulazione che utilizza efficacemente la parallelizzazione di tipo MPMD. Combinando la parallelizzazione con idee recenti relative all’automatizzazione, sono arrivati ​​a un metodo di ricerca automatica ad alta velocità per il percorso di migrazione.

Utilizzando questo metodo, diventa possibile ricercare facilmente il percorso di migrazione degli atomi di impurità per materiali reali che hanno bordi di grani cristallini o anche materiali la cui struttura cristallina viene disordinata dal contatto di lunga durata con il plasma. Indagando il comportamento della migrazione collettiva degli atomi di impurità all'interno del materiale sulla base delle informazioni riguardanti questo percorso di migrazione, possiamo approfondire la nostra conoscenza riguardo all'equilibrio delle particelle all'interno del plasma e del materiale. Pertanto si prevedono miglioramenti nel confinamento del plasma.

Questi risultati sono stati presentati nel maggio 2016 alla 22a Conferenza internazionale sull'interazione della superficie del plasma (PSI 22) e saranno pubblicati sulla rivista Nuclear Materials and Energy.