Eén deel van het vacuümvat (het naar plasma gerichte materiaal) van het fusie-experiment en de toekomstige fusiereactor komt in contact met plasma. Wanneer de plasma-ionen het materiaal binnendringen, worden die deeltjes een neutraal atoom en blijven ze in het materiaal. Gezien vanuit de atomen waaruit het materiaal bestaat, worden de plasma-ionen die binnendringen onzuiverheidsatomen. De onzuiverheidsatomen migreren langzaam in de tussenruimten tussen de atomen waaruit het materiaal bestaat en uiteindelijk diffunderen ze in het materiaal. Aan de andere kant keren sommige onzuiverheidsatomen terug naar het oppervlak en worden opnieuw naar het plasma geëmitteerd. Voor de stabiele opsluiting van fusieplasma wordt de balans tussen de penetratie van plasma-ionen in het materiaal en de heruitzending van onzuiverheidsatomen na migratie van binnenuit het materiaal uiterst belangrijk.

Het migratiepad van onzuiverheidsatomen in materialen met een ideale kristalstructuur is in veel onderzoek goed opgehelderd. De werkelijke materialen hebben echter polykristallijne structuren, en de migratiepaden in de korrelgrensgebieden waren nog niet opgehelderd. Verder wordt in een materiaal dat continu in contact komt met plasma de kristalstructuur verbroken als gevolg van de overmatige indringing van plasma-ionen. De migratiepaden van onzuiverheidsatomen in een materiaal met een ongeordende kristalstructuur waren niet voldoende onderzocht.

De onderzoeksgroep van professor Atsushi Ito, van de National Institutes of Natural Sciences NIFS, is erin geslaagd een methode te ontwikkelen voor automatisch en snel zoeken naar migratiepaden in materialen met willekeurige atoomgeometrie door middel van moleculaire dynamica en parallelle berekeningen in een supercomputer. Ten eerste verwijderen ze een groot aantal kleine domeinen die het hele materiaal bestrijken.

Binnen elk klein domein berekenen ze de migratiepaden van onzuiverheidsatomen door middel van moleculaire dynamica. Die berekeningen van kleine domeinen zullen in korte tijd klaar zijn omdat de omvang van het domein klein is en het aantal te behandelen atomen niet veel is. Omdat de berekeningen in elk klein domein onafhankelijk kunnen worden uitgevoerd, worden de berekeningen parallel uitgevoerd met behulp van de NIFS-supercomputer, de Plasma Simulator en het HELIOS-supercomputersysteem in het Computational Simulation Center van het International Fusion Energy Research Center (IFERC-CSC), Aomori, Japan. Op de Plasma Simulator kunnen, omdat het mogelijk is om 70.000 CPU-kernen te gebruiken, gelijktijdige berekeningen over 70.000 domeinen worden uitgevoerd. Door alle rekenresultaten van de kleine domeinen te combineren, worden de migratiepaden over het gehele materiaal verkregen.

Een dergelijke parallellisatiemethode voor supercomputers verschilt van de methode die vaak wordt gebruikt en wordt parallellisatie van het MPMD3-type genoemd. Bij NIFS werd een simulatiemethode voorgesteld die effectief gebruik maakt van parallellisatie van het MPMD-type. Door de parallellisatie te combineren met recente ideeën over automatisering zijn ze tot een snelle automatische zoekmethode voor het migratiepad gekomen.

Door gebruik te maken van deze methode wordt het mogelijk om gemakkelijk het migratiepad van onzuiverheidsatomen te doorzoeken op daadwerkelijke materialen die kristalkorrelgrenzen hebben of zelfs materialen waarvan de kristalstructuur verstoord raakt door langdurig contact met plasma. Door het gedrag van de collectieve migratie van onzuiverheidsatomen in materiaal te onderzoeken op basis van informatie over dit migratiepad, kunnen we onze kennis over de deeltjesbalans in het plasma en het materiaal verdiepen. Er worden dus verbeteringen in de plasma-opsluiting verwacht.

Deze resultaten werden in mei 2016 gepresenteerd op de 22e Internationale Conferentie over Plasma Surface Interaction (PSI 22) en zullen worden gepubliceerd in het tijdschrift Nuclear Materials and Energy.