Jedna część naczynia próżniowego (materiał skierowany na plazmę) eksperymentalnego urządzenia do syntezy termojądrowej i przyszłego reaktora termojądrowego wchodzi w kontakt z plazmą. Kiedy jony plazmy dostaną się do materiału, cząstki te stają się neutralnym atomem i pozostają wewnątrz materiału. Widziane z atomów tworzących materiał, jony plazmy, które weszły do ​​środka, stają się atomami zanieczyszczeń. Atomy zanieczyszczeń migrują powoli w przestrzeniach między atomami tworzącymi materiał i ostatecznie dyfundują wewnątrz materiału. Z drugiej strony część atomów zanieczyszczeń powraca na powierzchnię i jest ponownie emitowana do plazmy. Dla stabilnego zamknięcia plazmy termojądrowej niezwykle ważna staje się równowaga pomiędzy przenikaniem jonów plazmy do wnętrza materiału a reemisją atomów zanieczyszczeń po migracji z wnętrza materiału.

Ścieżka migracji atomów zanieczyszczeń wewnątrz materiałów o idealnej strukturze krystalicznej została dobrze wyjaśniona w wielu badaniach. Jednak rzeczywiste materiały mają struktury polikrystaliczne, a zatem ścieżki migracji w obszarach granicznych ziaren nie zostały jeszcze wyjaśnione. Co więcej, w materiale, który w sposób ciągły styka się z plazmą, struktura krystaliczna zostaje przerwana z powodu nadmiernego wnikania jonów plazmy. Ścieżki migracji atomów zanieczyszczeń wewnątrz materiału o nieuporządkowanej strukturze krystalicznej nie zostały dostatecznie zbadane.

Grupie badawczej profesora Atsushi Ito z Narodowych Instytutów Nauk Przyrodniczych NIFS udało się opracować metodę automatycznego i szybkiego wyszukiwania ścieżek migracji w materiałach o dowolnej geometrii atomów poprzez dynamikę molekularną i równoległe obliczenia w superkomputerze. Najpierw pobierają wiele małych domen obejmujących cały materiał.

Wewnątrz każdej małej domeny obliczane są ścieżki migracji atomów zanieczyszczeń na podstawie dynamiki molekularnej. Obliczenia małych domen zostaną zakończone w krótkim czasie, ponieważ rozmiar domeny jest mały, a liczba atomów do obrobienia niewielka. Ponieważ obliczenia w każdej małej domenie można przeprowadzić niezależnie, obliczenia są wykonywane równolegle przy użyciu superkomputera NIFS, symulatora plazmy i systemu superkomputerowego HELIOS w Centrum Symulacji Obliczeniowej Międzynarodowego Centrum Badań nad Energią Termojądrową (IFERC-CSC) w Aomori, Japonia. W Plasma Simulatorze, dzięki możliwości wykorzystania 70 000 rdzeni procesora, można jednocześnie wykonywać obliczenia na ponad 70 000 domenach. Łącząc wszystkie wyniki obliczeń z małych domen, otrzymuje się ścieżki migracji po całym materiale.

Taka metoda równoległości superkomputera różni się od często stosowanej i nazywa się równoległością typu MPMD3). W NIFS zaproponowano metodę symulacji, która skutecznie wykorzystuje równoległość typu MPMD. Łącząc równoległość z najnowszymi pomysłami dotyczącymi automatyzacji, opracowano szybką metodę automatycznego wyszukiwania ścieżki migracji.

Dzięki zastosowaniu tej metody możliwe staje się łatwe przeszukiwanie ścieżki migracji atomów zanieczyszczeń dla rzeczywistych materiałów mających granice ziaren kryształów lub nawet materiałów, których struktura krystaliczna zostaje zaburzona w wyniku długotrwałego kontaktu z plazmą. Badając zachowanie zbiorowej migracji atomów zanieczyszczeń wewnątrz materiału w oparciu o informacje dotyczące tej ścieżki migracji, możemy pogłębić naszą wiedzę dotyczącą równowagi cząstek wewnątrz plazmy i materiału. Zatem oczekuje się poprawy w zakresie utrzymywania plazmy.

Wyniki te zaprezentowano w maju 2016 r. podczas 22. Międzynarodowej Konferencji na temat interakcji powierzchni plazmy (PSI 22) i zostaną opublikowane w czasopiśmie Nuclear Materials and Energy.