核融合実験装置や将来の核融合炉の真空容器（プラズマ対向材）の一部はプラズマと接触します。プラズマイオンが材料内に入ると、それらの粒子は中性原子となって材料内に留まります。入射したプラズマイオンは、材料を構成する原子から見れば不純物原子となる。不純物原子は材料を構成する原子の間をゆっくりと移動し、最終的には材料内部に拡散します。一方、不純物原子の一部は表面に戻り、再びプラズマ中に放出されます。核融合プラズマを安定して閉じ込めるためには、プラズマイオンの材料への侵入と、材料内部からの移動後の不純物原子の再放出とのバランスが極めて重要となる。

理想的な結晶構造を持つ材料内の不純物原子の移動経路は、多くの研究で十分に解明されています。しかし、実際の材料は多結晶構造をしており、粒界領域での移動経路はまだ解明されていなかった。また、プラズマに接触し続ける材料では、プラズマイオンの過剰な侵入により結晶構造が破壊される。結晶構造が乱れた材料中の不純物原子の移動経路は十分に検討されていなかった。

自然科学研究機構NIFSの伊藤篤教授らの研究グループは、スーパーコンピュータによる分子動力学と並列計算により、任意の原子形状を有する物質中の移動経路を自動かつ高速に探索する手法の開発に成功しました。まず、素材全体をカバーする多数の小さなドメインを取り出します。

それぞれの小さなドメイン内で、分子動力学を通じて不純物原子の移動経路を計算します。これらの小領域の計算は、領域のサイズが小さく、扱う原子の数も多くないため、短時間で終了します。各小領域の計算は独立して実行できるため、青森県にある国際核融合エネルギー研究センター（IFERC-CSC）計算シミュレーションセンターのNIFSスーパーコンピュータ、プラズマシミュレータ、HELIOSスーパーコンピュータシステムを用いて並列計算を行っています。日本。プラズマシミュレータでは、7万個のCPUコアを使用できるため、7万ドメインを超える同時計算が可能です。小さな領域からのすべての計算結果を組み合わせると、材料全体にわたる移動経路が得られます。

このようなスーパーコンピュータの並列化手法は、一般的に用いられている並列化手法とは異なり、MPMD3)型並列化と呼ばれています。 NIFSではMPMD型並列化を効果的に活用したシミュレーション手法を提案していた。この並列化と最近の自動化の考え方を組み合わせることで、高速な移行パスの自動検索手法を実現しました。

この方法を利用することで、結晶粒界を有する実際の材料や、長時間のプラズマ接触により結晶構造が乱れた材料であっても、不純物原子の移動経路を容易に探索することが可能となる。この移動経路の情報に基づいて物質内部の不純物原子の集団移動の挙動を調べることで、プラズマや物質内の粒子バランスについての知識を深めることができます。したがって、プラズマ閉じ込めの改善が期待されます。

これらの結果は、2016 年 5 月の第 22 回プラズマ表面相互作用国際会議 (PSI 22) で発表され、雑誌「Nuclear Materials and Energy」に掲載される予定です。